1

*

2

Dedico este trabajo a todos los que creyeron en mí, a toda la gente que me

apoyo, a mis amigos, familiares y a esta institución Universidad Autónoma

Metropolitana Iztapalapa que me ha formado; pero en especial se lo dedico a

mi madre que fue pilar fundamental en mi formación y educación como

persona, a ella y a los profesores que me instruyeron, a mi asesor el Dr. Juan

José Ambriz García que sin su amistad, apoyo y orientación no habría podido

concluir esta etapa en mi vida. Agradezco también a mi mujer por haberme

apoyado y no permitir que me rindiera. Por eso y por mucho más GRACIAS!

3

Selección, diseño y evaluación de un sistema de calentamiento solar

de agua en un centro de educación superior.

ÍNDICE

1. Introducción…………….………………………………………………………..2

2. Objetivos………………………………………………………………………….8

3. Determinación de las necesidades de calentamiento.……………..….....9

3.1. Clasificación del usuario, descripción………...………………………...9

3.2. Calculo de las necesidades…………………………………………….11

3.3. Clasificación del usuario……….…………………………………….....12

3.4. Régimen de consumo diario….………………………………………..15

4. Principales tecnologías termosolares………………………….……….....16

4.1. Parámetros de selección……………………………………………….16

4.2. Colector solar de polipropileno, características.……………………..20

4.3. Colector Solar Plano, características………………………………….23

4.4. Colector solar de Tubos Evacuados, características………………..27

4.5. Matriz de evaluación de las tecnologías ..……………………………37

4.6. Matriz de Selección de la tecnología de acuerdo con el usuario.….40

5. Evaluación del Recurso Solar……………………………………………….42

5.1. Factores que intervienen en la radiación solar que alcanza la

superficie terrestre………………………………………………………42

5.2. Datos de Irradiancia y Atlas solares…………………………………..53

6. Dimensionamiento del Sistema Solar…………………………...…………59

6.1. Descripción de la Metodología para el Diseño del Sistema solar.…59

6.2. Ejemplos de Aplicación…………………………………………………59

6.2.1. Instalación Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa…..59

7. Propuesta de medición de variables y obtención de datos……………70

8. Evaluación de los Ahorros………………………………………...…………71

9. Conclusiones…………………………………………………………………...72

10. Referencias y bibliografía...…….......……………………………………….80

4

1. Introducción.

La tecnología solar fototérmica aplicada en el uso de colectores solares para calentar agua existe de manera comercial hace varias décadas, no obstante, su aprovechamiento está relativamente limitado a pocos usuarios. Esto es debido a varios factores, entre los cuales se puede citar la falta de conocimiento por parte del usuario de las características, ventajas y limitantes de la tecnología, así como la aún incipiente y limitada oferta de estos bienes y servicios. Por lo anterior, el presente documento tiene el objetivo de servir de guía y apoyo para un usuario no necesariamente versado en el uso de esta fuente renovable de energía para realizar una selección de un sistema de calentamiento solar de agua adecuado. Para la selección, dimensionamiento y adquisición de un sistema de calentamiento solar de agua el usuario debe considerar varios aspectos. El primero se refiere a determinar con precisión las características de su demanda de energía térmica, es decir, la temperatura de aplicación del uso final así como la de almacenamiento; la cantidad o volumen de agua caliente requerida, además las especificidades de la demanda: horarios, picos de demanda de uso, etc. Estos parámetros condicionan el tipo de tecnología solar a emplear así como la configuración del sistema. El calentamiento solar de agua a baja temperatura, inferior a los 100 ºC se hace en la práctica con varias tecnologías y arreglos de sistemas, como los calentadores de plástico de polipropileno, los captadores planos de tubo y aleta y los tubos evacuados. Cada tecnología tiene características propias que deben ser contrastadas con los requerimientos del usuario para garantizar la mejor solución. Por ello se presenta un análisis del estado de las tecnologías termosolares comerciales para calentamiento de agua y se desarrolla una metodología para la selección y dimensionamiento de un sistema de calentamiento solar; para esto es preciso considerar la magnitud del recurso solar, pues es bien conocido que éste responde a variaciones estacionales y diarias, así como a efectos del microclima. Su correcta evaluación es fundamental para el dimensionamiento idóneo del sistema de calentamiento solar.

En el campus Iztapalapa de la Universidad Autónoma Metropolitana se han desarrollado acciones para impulsar la sustentabilidad de instalaciones y poner la tecnología al alcance de la comunidad universitaria. De esta manera, se ha impulsado la generación de energía eléctrica fotovoltaica interconectada a la red y el uso de colectores solares planos para proporcionar el agua caliente sanitaria a los usuarios de actividades deportivas.

Este trabajo usa como ejemplo de aplicación la instalación de la UAMl con el objetivo de que sea extrapolable a instalaciones similares, para determinar las necesidades actuales de agua caliente en su sección de actividades deportivas, los patrones de uso y el costo de combustibles.

5

Este trabajo se divide en 5 ejes fundamentales que se describen a continuación (Figura 1):

1. Determinación de las necesidades. En esta sección se calculan con precisión

las necesidades térmicas del usuario de agua caliente así como la cantidad o volumen necesario. Se caracterizan los niveles de: presión (kgf/cm2), temperatura requerida y del depósito (°C). Con los elementos anteriores y combinándolos con aplicaciones prácticas se propone una matriz de selección de usuario que busca clasificarlo con un código de usuario característico. También se describe el régimen de consumo horario día promedio para determinar si se trata de un sistema puntual o continuo ya que se impacta en el diseño.

2. Selección de las tecnologías. En esta sección se presenta un estudio

descriptivo de las tecnologías disponibles; se caracterizan en intervalos de aplicación para los tres principales tipos de tecnología (polipropileno, plano y tubos evacuados), en función de la temperatura de operación (°C), presión de operación (kgf/cm2) y volúmenes tipo (lt). Del estudio anterior surge una matriz lógica de selección de tecnología. Para conocer cuál es la más adecuada, se usa como entrada el código de “usuario tipo” de la matriz anterior y tiene como salida la tecnología para ese uso.

3. Evaluación del recurso solar. Esta sección tiene por objeto la evaluación del potencial solar en la localidad de la instalación y requiere como datos de entrada las coordenadas geográficas del lugar, latitud y longitud. Con la ayuda del programa RADII se estima de manera simple, rápida y practica la energía disponible por unidad de área (MJ/m2 o W/m2) sobre una superficie inclinada u horizontal orientada hacia el sur.

4. Dimensionamiento. Esta sección comienza con la evaluación de la demanda energética que proviene de los datos que se tuvieron como resultado de la caracterización de la necesidad, prosigue con los datos obtenidos del potencial solar. A continuación, se procede a definir el tamaño del sistema; se usan como entradas el tipo de tecnología resultado de la segunda matriz de selección con una eficiencia de conversión de energía media considerando la disponibilidad del recurso solar esto permitirá calcular la superficie necesaria para suministrar al 100% la demanda energética. Si es muy alta o no se cuenta con suficiente área disponible, esta variable limitará el porcentaje de aporte. Dividiendo el área entre el área de captación estándar o modular de la tecnología seleccionada se obtiene el área estandarizada de captación o número de módulos. De la primera sección se sabe si se trata de un sistema puntual o continuo, junto con el número de módulos se calcula la dimensión del tanque de almacenamiento.

6

5. Evaluación de los ahorros. En esta sección se parte del porcentaje de aporte por medio solar para calentar agua, se obtiene su equivalencia energética en pesos y se desarrolla una proyección mensual.

En general, si uno dispone de una tecnología que pueda alcanzar temperaturas elevadas del agua, está podría emplearse en cualquier uso a menor temperatura, no obstante desde la perspectiva energética esto es un desperdicio, por lo que se recomienda seleccionar la tecnología más cercana al uso requerido. Por el contrario, si una tecnología da una baja temperatura siempre podrá emplearse como sistema de precalentamiento, con lo cual se lograría algún ahorro de combustible pero no la substitución total.

7

8

2. Objetivos.

1. Determinar las necesidades de agua caliente; proponer un método generalizado que nos sirva para calcular o determinar las necesidades de agua caliente en un inmueble, acorde a sus características.

2. Realizar un análisis de las tecnologías termosolares comerciales para calentamiento de agua; proponer un método generalizado que nos sirva para clasificar a las principales tecnologías de acuerdo a su aplicación.

3. Desarrollar una metodología que ayude al diseño selección y

dimensionamiento de un sistema de calentamiento solar para abastecer las necesidades de agua caliente de la UAMI, extrapolable a instalaciones similares.

4. Proponer un sistema de medición de variables y obtención de datos para la

realización de estudios en el campo de colectores solares seleccionado.

5. Proponer la metodología para evaluar la disminución de costos por el uso

del sistema termosolar, su rentabilidad económica.

9

3. Determinación de las necesidades de calentamiento.

3.1. Clasificación del usuario, descripción.

Es muy importante determinar la magnitud de las necesidades de calentamiento

del usuario y el nivel termo-energético requerido para la utilización de las

tecnologías solares para el calentamiento de agua.

El cálculo de las necesidades de cada usuario depende del tipo de instalación a

realizar y la disposición final del agua caliente; pude ser muy simple para una

casa habitación, pero bastante complejo cuando se trate de instalaciones de

mayor tamaño.

Temperatura de aplicación.

La temperatura de aplicación es a la cual interesa elevar agua. El nivel térmico se

divide en tres intervalos de acuerdo con su aplicación:

Sistemas de temperatura baja. Comprende el intervalo ubicado entre 22-28°C,

este nivel se requiere en sistemas como: fosas de clavados (alrededor 24°C) y

albercas (alrededor de 27°C).

Sistemas de temperatura media. Corresponde al intervalo comprendido entre 40-

55°C en el tanque de almacenamiento. En este valor se ubica una gran cantidad

de aplicaciones termosolares como son el uso doméstico en regaderas (alrededor

de 42°C), duchas de centros deportivos (36-45°C) y para uso sanitario en media

temperatura donde se utilice un gran volumén (42-45°C).

Sistemas de temperatura alta. Se presenta en el intervalo comprendido entre 70-

90°C para el tanque de almacenamiento. Abarca aplicaciones especiales en

algunos procesos industriales (70-90°C).

Cabe destacar que los intervalos descritos no son estrictamente excluyentes, solo

representan una muestra de las aplicaciones viables de los sistemas termosolares.

Presión de trabajo o de operación.

La presión de trabajo representa un segundo criterio de decisión. Corresponde a la

presión manométrica a la cual estará sometido el sistema termosolar.

Generalmente se expresa en kilogramo fuerza por centímetro cuadrado (kgf/cm2)

o libras fuerza por pulgada cuadrada (lbf/in2). Este elemento depende del tipo de

instalación, aplicación y de la infraestructura existente en el sitio de implantación.

10

Para facilitar la decisión, la presión de trabajo se ha clasificado en tres intervalos,

sin pretender englobar todas las aplicaciones de los sistemas termosolares sino

presentar un panorama general de éstas.

Presión de trabajo baja. También se le llama por gravedad o de alimentación por

línea o red municipal de suministro. Comprende el intervalo de 0.2-1kgf/cm2 que

generalmente es proporcionada por un tanque elevado o tinaco de 1-4 niveles en

la edificación. Se presenta en aplicaciones de uso doméstico de regaderas y en

algunas aplicaciones industriales para duchas o procesos de dimensiones

pequeñas.

Presión de trabajo media. También se le conoce por bombeo. Comprende el

intervalo de 1-3 kgf/cm2 equivalente a la presión 4 a 12 niveles en la edificación.

Puede ser proporcionada por una bomba presurizadora o recirculadora o un

sistema hidroneumático de arranque a baja presión. Se presenta en una gran

variedad de aplicaciones como son fosas de clavados con gran tamaño, en

albercas medianas y grandes, regaderas de uso doméstico de pequeñas

instalaciones, en regaderas de centros deportivos para medianas y grandes, para

uso sanitario media temperatura grandes y para procesos industriales medianos y

grandes, entre otros.

Presión de trabajo alta. Comprende el intervalo de 3-6 kgf/cm2, equivalente a la

presión de más de 12 niveles en la edificación o la proporcionada por un

hidroneumático. Se presenta en aplicaciones para albercas de medianas y

grandes, en conjuntos de regaderas de centros deportivos medianos y grandes,

para uso sanitario de media temperatura grandes y para procesos industriales

medianos y grandes, entre otros.

Tamaño o gasto volumétrico diario

Este elemento se define como el consumo de agua caliente en litros al día (lt/día)

que se puede presentar en la instalación, también se conoce al tamaño del

sistema como porte. Se ha clasificado el tamaño en tres niveles de acuerdo a su

gasto volumétrico diario.

Tamaño pequeño. Normalmente aplica para una instalación de porte pequeño y

comprende a las aplicaciones que requieren un volumen de agua diario por abajo

de 300 litros. Se presenta en aplicaciones diversas como son el uso doméstico

para regaderas con presiones de operación baja y media y procesos industriales a

baja presión.

11

Tamaño mediano. Una instalación de porte mediano comprende a las aplicaciones

que requieren un volumen de agua por arriba de 300 lt/día e inferior a 5000 lt/día.

Se presenta en aplicaciones diversas como son el uso en albercas y regaderas de

centros deportivos con presiones de operación media y alta, para uso sanitario a

media temperatura de porte mediano con presiones de operación media y alta, en

procesos industriales con presiones de operación media y alta, etcétera.

Tamaño grande. Para una instalación de porte grande se tienen aplicaciones que

requieren un volumen de agua diario de más de 5000 litros. Se presenta en

aplicaciones diversas como son fosas de clavados que operan a presión media, el

uso en albercas, regaderas de centros deportivos, uso sanitario de media

temperatura y en procesos industriales todos los anteriores con presiones de

operación media y alta, entre otros.

3.2. Calculo de las necesidades.

Para evaluar las necesidades térmicas se debe conocer con precisión el tipo de

aplicación para determinar la temperatura de suministro, así como la de

almacenamiento y las características de la instalación para determinar la presión

de trabajo. Las necesidades se podrán calcular a partir del número, tipo y

frecuencia de los usuarios; a partir de los valores estándar conocidos o de acuerdo

con el valor de consumo de combustible histórico.

Temperatura de aplicación. La temperatura de aplicación por ejemplo varía

de acuerdo con el gusto que tenga el usuario por ducharse con agua tibia o

caliente, no obstante se considera una temperatura promedio de 42°C en el

termotanque o depósito provisto para estos fines. Se puede tomar un valor inferior

a 45°C.

Volumen diario en litros. Este será el que resulte de sumar el consumo de

agua caliente por ejemplo para la ducha de todos los usuarios de la vivienda al

día. Una forma empírica de calcularlo es medir el gasto volumétrico de la regadera

con una cubeta que se conozca su volumen. Se abre la regadera en su totalidad y

se toma el tiempo que tarda en llenarse el recipiente; este valor será la tasa a la

cual se está consumiendo el agua al ducharse. Comúnmente para regaderas no

ahorradoras el valor está entre 9-12 lt/min. Una vez conocido el gasto volumétrico

se multiplica por el tiempo que se tarda cada usuario de la vivienda en la ducha,

para obtener los litros que se consumen. Se considera que de 30-40% debe ser

agua caliente. Otra forma de considerar el volumen diario es tomar un valor

promedio estándar de 45 lt/día por usuario.

12

Otro camino para estimar el consumo diario de agua caliente es, a partir del

consumo de combustible, si se dispone de los recibos de consumo para calentar

agua, y la eficiencia media del calentador convencional o boiler. Se puede emplear

la siguiente ecuación del balance de energía:

donde:

de donde se tiene que:

Presión de trabajo o de operación. Para inmuebles cuyo desnivel de

alimentación del agua es de uno a cuatro niveles provistas con tanque elevado o

tinaco se considera una presión de operación menor de 1 kilogramo fuerza por

centímetro cuadrado (kgf/cm2). Si la aplicación cuenta con bomba presurizadora

se considera a la presión de trabajo está entre 1-3 kgf/cm2. Si la instalación está

provista de un hidroneumático, la presión de operación dependerá del valor de

calibración, comúnmente entre 3-6 kgf/cm2.

Tamaño. El tamaño corresponde al uso de agua en litros por día que pudo

haber sido calculado para estimar el requerimiento de agua caliente o volumen

diario en litros.

3.3 Clasificación del Usuario.

Al combinar los elementos anteriores es posible realizar una clasificación por tipo

de usuario. En conjunto, todos los elementos anteriores representan

características particulares del tipo de usuario final de los sistemas termosolares y

13

son elementos de decisión para su caracterización tipológica. La clasificación

propuesta se presenta de manera resumida en una matriz de selección o matriz

lógica de selección que pretende la ubicación como un tipo de usuario particular

de los sistemas termosolares (Cuadro 1).

La matriz lógica de selección tipo de usuario contiene los elementos expuestos en

la sección anterior:

La clasificación de las columnas representa las variables a considerar para ubicar

el tipo de aplicación requerida. Sus elementos son:

Temperatura de aplicación

Presión de operación o de trabajo

Tamaño o porte

Los renglones representan los parámetros definidos por el uso o disponibilidad

final de la energía termosolar desde el punto de vista de su aplicación. Sus

elementos son:

Uso en fosas de clavados

Uso en albercas

Uso doméstico en regaderas

Duchas de centros deportivos

Uso sanitario media temperatura gasto volumétrico grande

Procesos industriales

Al combinar estos elementos surge una matriz de 21 posibles usuarios tipo.

La manera de abordar esta matriz de selección es:

1º Establecer la temperatura de aplicación requerida para la aplicación, si coincide

con la de alguno de los parámetros o es muy próxima, se fija el renglón sobre el

cual habrá de moverse;

2º Se verifica o establece el nivel de la presión de operación a la cual opera el

sistema. De no ser así se procede a conocer el tamaño, el cual indicará la presión

de operación a la cual operará el sistema (para una implantación a considerar en

el anteproyecto).

3º Si se conoce ya la presión de trabajo, solo basta ubicar el tamaño del

sistema.

14

Cuadro 1. Matriz lógica de clasificación del usuario

Parámetro Aplicación

Có

dig

o t

ipo

lóg

ico

de u

su

ari

o Para Sistemas

Temperatura

(°C)

Presión de trabajo

(kgf/cm2), manométrica

Tamaño (uso de

agua litros al

día)

baja

2

2-

28

media

4

0-5

5

alta 70 -

90

baja

0.2

-1

(gra

vedad ó

lín

ea)

media

1-3

(b

om

beo,

pre

surizadora

)

alta 3-6

(hid

ro)

pequeño <

300

media

no <

5000

gra

nde >

5000

Uso en fosas de clavados 24°C A ☺

☺

☺

Uso en albercas 27°C

B ☺

☺

☺

C ☺

☺

☺

D ☺

☺

☺

E ☺

☺

☺

Uso doméstico regaderas 42°C

F

☺

☺

☺

G

☺

☺

☺

Centros deportivos duchas 36-45°C

H

☺

☺

☺

I

☺

☺

☺

J

☺

☺

☺

K

☺

☺

☺

Uso sanitario media temperatura carga

volumen grande 42-45°C

L

☺

☺

☺

M

☺

☺

☺

N

☺

☺

☺

Ñ

☺

☺

☺

Procesos industriales 70-90°C

O

☺ ☺

☺

P

☺

☺

☺

Q

☺

☺

☺

R

☺

☺

☺

S

☺

☺

☺

T

15

3.4 Régimen de consumo diario

El régimen de consumo diario se refiere a la forma en que se consume el agua

caliente a lo largo del día. Para sistemas de tamaño grande en general se requiere

de un depósito de almacenamiento o termotanque que asegure el suministro de

agua caliente en el momento de mayor demanda. Se divide éste régimen de

consumo:

Puntual. Se dice que el sistema se encuentra en régimen de consumo

puntual cuando la mayor parte del volumen se consume en un período corto de

horas por la mañana o por la noche. Éste tipo de consumo conlleva un mayor

volumen del tanque de almacenamiento que el calculado inicialmente y un espesor

del aislamiento más pequeño.

Continuo. Se llama sistema en régimen de consumo continuo cuando el

volumen del agua caliente se utiliza a lo largo del día. El tanque de

almacenamiento resulta mayor que para el puntual y con un espesor de

aislamiento ligeramente mayor.

Ahora bien, a la temperatura de almacenamiento se le denomina temperatura

equivalente (Teq), la cual varía en función de la temperatura del agua fría. No

obstante el incremento de la temperatura que resulta de la que se tiene en el

depósito de almacenamiento menos la del agua fría, es un valor aproximadamente

constante para cada sistema, 30°C en el régimen puntual y 20°C en el continuo.

Con el valor de la temperatura equivalente se recalcula el volumen diario en litros

y se obtiene el volumen diario en litros a almacenar, a la hora de hacer los

cálculos se remplaza la temperatura de aplicación por la equivalente y el volumen

diario por el de almacenamiento. El tamaño del tanque de almacenamiento se ve

afectado por el volumen diario en litros a almacenar y si se trata de régimen de

consumo puntual o continuo. En el régimen puntual, el volumen se calcula 15%

más que el volumen diario en litros a almacenar. En el régimen continuo, el

volumen se calcula 20% por arriba del volumen diario en litros a almacenar.

La selección del tipo y espesor del aislamiento del termotanque se muestra en el

cuadro 2.

Cuadro 2. Recomendación del tipo de aislamiento y espesor.

Aislante

Espesor Recomendado (cm) Conductividad Térmica (W/m°C) Régimen Puntual Régimen Continuo

Algodón 5 7.5 0.059

Asbesto 7.5 12.5 0.174

Fibra de Vidrio 2.5 5 0.038

Paja 5 10 0.090

16

4. Principales Tecnologías Termosolares.

La selección del tipo de tecnología adecuada para un sistema calentamiento solar

de agua influye directamente en su funcionalidad. Existe un gran número de

tecnologías disponibles para calentamiento solar de agua, a cada una se le

pueden atribuir bondades y aplicaciones específicas; así como desventajas y

limitaciones. Sin embargo, en esta sección solo se tratan los tres tipos de

tecnologías más usuales y disponibles en el mercado nacional.

De acuerdo con las necesidades de cada usuario de la tecnología, es decir, la

temperatura requerida, la presión de operación y el volumen requerido es posible

llegar a la selección del tipo de tecnología que es la conveniente en cada caso.

Los tres tipos de tecnología considerados para el calentamiento solar de agua son:

Colector solar de polipropileno

Colector solar plano

Colector solar de tubos evacuados

Las características principales de cada uno de estos colectores que surgen como

variables de decisión en la selección de la tecnología, se enuncian a continuación.

4.1 Parámetros de selección.

Temperatura de aplicación.

Es aquella a la que el colector puede elevar el agua; la temperatura alcanzada

dependerá de la radiación solar y de factores climáticos externos. De acuerdo a la

habilidad para elevar el fluido de trabajo se clasifica en:

Sistemas de baja temperatura. Comprende el intervalo ubicado entre 22-28°C (de

2-4°C por arriba de la temperatura ambiente).

Sistemas de temperatura media. Se refiere al intervalo comprendido entre 40-55°C

de almacenamiento para un servicio de 37-42°C.

Sistemas de temperatura alta. Se refiere a temperaturas en el intervalo

comprendido 70-90°C el termotanque, 65-85°C para el servicio.

Cabe destacar que los intervalos descritos no son estrictamente excluyentes, solo

representan una muestra de las aplicaciones viables de los sistemas termosolares.

17

Presión de operación o de trabajo.

Es la presión manométrica a la cual estará sometido el sistema termo solar,

generalmente esta expresada en kilogramo fuerza por centímetro cuadrado

(kgf/cm2) o libras fuerza por pulgada cuadrada (lbf/in2). Este parámetro es muy

importante al evaluar alternativas, debido a que algunos equipos no tienen una

tolerancia media a la presión hidrostática. Al igual que al tipificar al usuario se

clasifica a la presión de operación en tres intervalos:

Presión de trabajo baja. También se le llama por gravedad o de alimentación por

línea o red municipal de suministro y comprende el intervalo de 0.2-1kgf/cm2;

generalmente es proporcionada por un tanque elevado o tinaco de 1-4 niveles en

la edificación.

Presión de trabajo media, también se le conoce por bombeo y comprende el

intervalo de 1-3 kgf/cm2 (de 4 a 12 niveles en la edificación, proporcionada por una

bomba presurizadora o recirculadora o hidroneumático de arranque a baja

presión).

Presión de trabajo alta. Comprende el intervalo de 3-6 kgf/cm2 (más de 12 niveles

en la edificación o proporcionada por un sistema hidroneumático).

Tamaño o gasto volumétrico diario.

Es el consumo de agua en litros al día (lt/día) que se puede presentar en la

instalación, dependiendo del arreglo y configuración. Aunque este parámetro

depende directamente de la necesidad se debe tener en cuenta que algunos

equipos no tienen la escalabilidad deseable y presentan problemas para

aplicaciones grandes.

Tamaño pequeño. Una instalación de tamaño pequeño, se le llama a los arreglos

o configuraciones que comprende a las aplicaciones que requieren un volumen de

agua diario por abajo de 300 lt/día.

Tamaño mediano. Una instalación de tamaño mediano, comprende a los arreglos

o configuraciones usados para aplicaciones que requieren un volumen de agua

por arriba de 300 lt/día e inferior a 5000 lt/día.

Tamaño grande. Una instalación de tamaño grande, comprende a los arreglos o

configuraciones usados para aplicaciones que requieren un volumen de agua

diario por arriba de 5000.

18

Las siguientes características se refieren a la aceptabilidad de la tecnología, el

manejo de estos conceptos requiere se definan:

Experiencia o nivel de madurez en la aplicación de las tecnologías.

Esta variable se refiere al nivel de aprobación que ha alcanzado la tecnología de

acuerdo con su desempeño o experiencia acumulada a través de los años; para lo

cual se clasifica en tres niveles:

Experiencia incipiente. Se refiere a aquellas tecnologías que se presentan como

novedad o innovación, por esta razón no hay suficiente experiencia que avale su

desempeño y sea este el adecuado, bien como sistema o en sus partes.

Experiencia regular. Se refiere a aquellas tecnologías que ya han alcanzado cierto

grado de madurez, pero se encuentran en la etapa del rediseño y aplicación de

nuevos materiales, generalmente para prolongar su vida útil y aumentar su

eficiencia en la conversión de energía solar a térmica.

Experiencia amplia. Se refiere a aquellas tecnologías que han alcanzado ya la

madurez y se tiene una experiencia adecuada de su aplicación. Además se cuenta

con soporte comercial que las avala.

Durabilidad o vida útil.

Se refiere a la duración funcional del sistema o de la tecnología misma que remite

a la vida útil de los materiales con que está fabricada. La vida útil dependerá

considerablemente del estrés térmico y las variables climáticas. No obstante, se

puede hablar de vida promedio y garantía por el fabricante o comercializador de la

tecnología. La clasificación de esta variable es por estimación y se apoya en los

parámetros de diseño de las tecnologías. En este caso los niveles son:

Durabilidad o vida útil corta. Aquella que no sobrepasa los 5 años.

Durabilidad o vida útil media. Aquella que a lo más alcanzará 10 años.

Durabilidad o vida útil larga. Se considera aquella cuya vida útil llega a los 20

años.

Cabe destacar que la garantía ofrecida por los fabricantes o comercializadores no

representa propiamente el período de vida útil.

19

Eficiencia global de conversión del sistema o eficiencia térmica global .

Esta variable se refiere a la capacidad de cada tecnología para convertir la energía

solar captada en energía térmica útil o aprovechable. Su valor es relativo y

depende del tipo particular de tecnología, configuración del sistema, irradiación

media y condiciones climáticas entre otras; no obstante, es posible clasificarlas en

tres intervalos que surgen del cálculo.

En primer lugar se calcula el calor útil (Qu) que es la cantidad de energía

absorbida por el agua:

Donde:

Con este valor y la irradiancia en (

) se procede a calcular la eficiencia térmica

con:

Donde:

20

Para evaluar esta variable de decisión se consideran modelos de tres tecnologías

y marcas mostrados en la Cuadro 3.

Cuadro 3. Eficiencia térmica global.

η % Qu

(J/s) o ( W) ṁ H2O (lt/min)

mH2O (kg /lt)/día

hr/día Cp

(J/kg K) Tf

(°C) Te

(°C) A (m

2) I (W/m

2) Módelo y marca

82.1 3183.65 15.20 3648 4.00 4189.02 22 19.0 3.88 1000 Polipropileno HC-40 Heliocol

60.2 2334.68 15.20 3648 4.00 4189.02 28 25.8 3.88 1000 Polipropileno HC-40 Heliocol

61.0 1005.63 0.63 150 4.00 4189.02 42 19.0 1.65 1000 Colector solar plano Axol AP 150

lt Módulo Solar

39.8 655.84 0.63 150 4.00 4189.02 60 45.0 1.65 1000 Colector solar plano Axol AP 150

lt Módulo Solar

40.7 756.35 0.83 200 4.00 4189.02 70 57.0 1.86 1000 Colector solar Manantial de 200 Lt

SEA S.A. de C.V

31.3 581.81 0.83 200 4.00 4189.02 90 80.0 1.86 1000 Colector solar Manantial de 200 Lt

SEA S.A. de C.V

Los resultados son:

Eficiencia térmica global para sistemas a baja temperatura 22-28 °C, en porcentaje

65-80 %.

Eficiencia térmica global para sistemas de temperatura media 40-60 °C, en

porcentaje 40-60 %.

Eficiencia térmica global para sistemas de temperatura alta 70-90 °C, en

porcentaje 30-40 %.

4.2 Colector Solar de Polipropileno, características.

En años recientes, el colector solar de polipropileno o también conocido como de

plástico, ha tenido auge en sistemas de captación de energía solar de agua a

bajas temperaturas para acondicionamiento de albercas y piscinas. Esto se debe a

las propiedades fisicoquímicas, mecánicas y térmicas del material, así como su

bajo costo, sencilla instalación y mínimo mantenimiento. No obstante, su uso

presenta algunas dificultades dado que las bajas temperaturas no son suficientes

21

para muchas aplicaciones, debido a las elevadas pérdidas térmicas por tratarse de

colectores desnudos, es decir, sin gabinete, cubierta transparente ni aislamiento

térmico posterior.

Se utilizan como calentadores solares por ser más sencillos y baratos para

calentar el agua de las albercas. Básicamente se trata de una serie de conductos

de polipropileno de color negro mate dentro de los cuales circula agua del sistema

a calentar (Figura 2). La radiación solar calienta la superficie de los tubos y, por

conducción, al agua. No cuenta con ninguna caja de protección; se colocan

desnudos sobre el piso, como techo en los cajones de estacionamiento o se

ubican en el techo de las casas. No tienen ningún tipo de aislamiento térmico. El

agua que generalmente proviene de una alberca, por lo cual no se le agrega

anticongelante para las bajas temperaturas, pero sí puede circular agua clorada.

Figura 2. Instalación de colectores solares de plástico (http:/www.sitiosolar.com/Albercas.htm.)

(http://www.becquerelenergia.es/termica.html)

La mayor parte de los colectores comerciales plásticos se fabrican en polipropileno

extruido y estabilizado contra la radiación ultravioleta y los agentes químicos del

agua de las piscinas.

Su forma cilíndrica permite que la radiación directa del sol pueda ser recogida, sin

obstáculos y con relativa independencia del ángulo de incidencia de cada

momento, directamente por los tubos del colector, los cuales la transmiten al agua

que circula por ellos (Figura 3.1). La energía solar reflejada alcanza teóricamente

uno de los tubos adyacentes, siendo así igualmente aprovechada (Figura 3.2).

22

Figura 3.1. Operación del colector solar plástico con radiación solar directa.

Figura 3.2. Operación del colector solar plástico con radiación solar difusa.

Características del colector solar de polipropileno-plástico.

Las principales características de acuerdo con la aplicación de este tipo de

colector son muy variadas, lo que representa limitantes o condicionantes de

diseño.

Temperatura de aplicación. Operan como sistemas de temperatura baja, en

el intervalo ubicado entre 22-28°C, por lo que se usan en fosas de clavados (24°C)

en albercas (27°C). No obstante, la temperatura alcanzada por este tipo de

colector dependerá notablemente de la radiación solar y factores climáticos

externos.

Presión de operación o de trabajo. Este tipo de colector comúnmente opera

a presión de trabajo media y alta por debajo de 6 kgf/cm2. La presión de

operación media (1-3 kgf/cm2), se presenta en fosas de clavados grandes, en

albercas para tamaño mediano y grande. La presión de trabajo alta de 3-6 kgf/cm2,

se presenta en aplicaciones para albercas de tamaño mediano y grande.

Tamaño o gasto volumétrico diario. Este tipo de colector entregará

volúmenes de tamaño mediano y grande dependiendo del arreglo y configuración.

El tamaño mediano (300 a 5000 lt/día), se presenta en albercas con presiones de

operación media y alta. El tamaño grande, superior a 5000 lt/día, se presenta en

23

fosas de clavados que operan a presión media y albercas con presiones de

operación media y alta.

Experiencia o nivel de madurez en la aplicación de la tecnología. El colector

solar de polipropileno o plástico tiene experiencia amplia en aplicaciones para

albercas y fosas de clavados.

Durabilidad o vida útil. El colector solar de polipropileno o plástico tiene un

período de vida útil de hasta 10 años, pero algunos comercializadores solo

garantizan esta tecnología por 5 años, por este motivo se debe ser escrupuloso al

revisar las garantías ofrecidas por el comercializador o fabricante. Se considera

que su durabilidad es media.

Eficiencia térmica global. Los colectores solares de polipropileno-plástico

operan en un intervalo de eficiencia del 65-80 %, lo que es relativamente elevada,

debido a la baja temperatura de operación (22-28 °C).

4.3 Colector solar plano, características.

El colector solar plano es el dispositivo más representativo de la tecnología solar

pues transforma la radiación solar en calor que es extraído a través de un fluido,

principalmente agua o aire, a temperaturas hasta de 80C. Esta tecnología está

plenamente desarrollada a nivel comercial tanto en México como en el mundo.

Su principal aplicación es en el calentamiento de agua sanitaria para duchas y

albercas, aunque también se utiliza para secar productos agropecuarios mediante

el calentamiento de aire y para destilar agua en localidades aisladas.

Los componentes principales de un colector solar plano son el absorbedor, la

cubierta transparente, el aislamiento térmico y la caja o gabinete (Figura 4).

Figura 4. Colector solar plano, corte.

24

El absorbedor o placa absorbedora tiene como objetivo absorber la radiación solar

incidente eficientemente y transferirla al fluido de trabajo, funciona como una

superficie de intercambio térmico entre la energía solar y el fluido de trabajo,

normalmente agua o aire, que transporta el flujo térmico hacia su lugar de

utilización o almacenamiento. En las configuraciones más conocidas, el fluido

pasa por una red de tubos soldados a una lámina de metal, que es un buen

conductor térmico, sobre la que se deposita un recubrimiento de elevada

absortividad, de la radiación solar. El recubrimiento más simple puede realizarse

con una pintura negra mate cuya absortividad es muy buena y puede alcanzar

0.95, no obstante, tienen la desventaja de su elevada emisión en la zona infrarroja

del espectro, cuando no están expuestas al Sol. Por tal motivo se han desarrollado

los denominados recubrimientos selectivos que tienen la propiedad de presentar

una alta absorción a la radiación solar y una baja emisión infrarroja. Las películas

selectivas comerciales se fabrican a partir de óxidos metálicos de cobre o cromo.

La radiación solar absorbida se transforma en flujo térmico en el absorbedor; éste

puede alcanzar una temperatura superior a la ambiente (40°C a 60°C). En el

absorbedor se presentan pérdidas térmicas hacia el exterior, por radiación y por

convección, que se deben de tratar de reducir al máximo, con la finalidad de

aumentar el flujo térmico transmitido al fluido de trabajo para obtener el máximo

rendimiento posible.

Para reducir las pérdidas de la parte posterior del absorbedor, se cubre con un

aislante térmico como fibra de vidrio, lana mineral, poliuretano o equivalentes. El

espesor común de aislamiento es de alrededor de 5 cm, pero puede variar en

función de la temperatura de operación del colector solar. En algunas aplicaciones

que requieren de temperaturas de alrededor de 30°C, no se usa aislamiento

térmico, a lo que se conoce como colectores desnudos. Es conveniente proteger

al aislamiento térmico de la humedad y de la radiación ultravioleta del Sol, pues

pueden afectar negativamente sus características como aislante térmico o

degradarlo, para lo cual se emplea la caja o gabinete.

Las pérdidas térmicas del absorbedor hacia el frente son por convección con el

aire ambiente y por radiación. Para disminuir las pérdidas radiativas, sin afectar la

llegada de la radiación solar, se cierra el sistema con una cubierta transparente a

la radiación de onda corta proveniente del Solar pero opaca a la radiación

infrarroja de onda larga emitida por el absorbedor (Figura 5). A este proceso se le

conoce también como efecto invernadero. El vidrio, polietileno, policarbonato y

otras materias plásticas cumplen con esos requerimientos.

25

Figura 5. Trayectorias de la radiación solar e infrarroja en un colector solar plano.

En ocasiones, cuando se desea evitar aún más las pérdidas radiativas, es posible

colocar dos o más cubiertas transparentes, sin embargo, esto aumenta

notoriamente el peso y el precio del colector, además de que se reduce la

transmisividad del sistema, es decir, la radiación solar que llega a la superficie del

absorbedor es menos al sufrir dos absorciones al atravesar cada cubierta

transparente. Por ejemplo, si cada cubierta tiene un coeficiente de transmisión de

0.9, al atravesar dos capas, el coeficiente se reduce a 0.9 x 0.9 = 0.81.

La misma placa transparente contribuye a disminuir las pérdidas convectivas por

el aire presente encima del absorbedor, pues al confinarlo disminuye su

movimiento y el transporte de calor se da sólo por conducción. Para que este

efecto se dé es importante que las cubiertas, absorbedora y transparente estén

separadas a un distancia relativamente pequeña de 2 a 3 cm.

Las cubiertas transparentes deben estar firmemente sujetas a la caja para no dejar

pasar la humedad del ambiente o la lluvia, para lo cual se emplea un material

flexible que selle con las paredes de la caja y permita la movilidad del vidrio, ya

que tienen coeficientes de dilatación diferentes. La presencia de agua por encima

del absorbedor puede provocar que se empañe la superficie transparente y

disminuya su transmisividad o que el aislamiento térmico se humedezca y

aumente su coeficiente de conductividad térmica.

Para evitar esto, además de contar con un buen sello, algunos colectores cuentan

con un desecante que absorbe la humedad en su interior (sílica gel, carbón

activado, zeolitas, etc.). Este tipo de material se regenera por calentamiento o se

substituye.

26

En las regiones de ambiente salino como las costas es recomendable utilizar

materiales resistentes a la corrosión como el aluminio y el acero inoxidable para la

fabricación del gabinete o caja, así como cobre para las tuberías y aletas de la

placa absorbente.

Características del colector solar plano.

Las principales características de acuerdo con la aplicación de este tipo de

colector son muy variadas, que representan limitantes o condicionantes de diseño:

Temperatura de aplicación. Los colectores solares planos operan en sistemas

de temperatura media (40-55°C), para su uso domestico en regaderas (42°C),

en duchas de centros deportivos (36-45°C) y uso sanitario (42-45°C).

Presión de operación o de trabajo. Este tipo de colector es el más versátil en

cuanto a presión de trabajo se refiere, ya que funciona bien con los tres

niveles de presión estudiados, su límite se haya por debajo de 6 kgf/cm2; esto

debido a las bondades de los materiales que lo constituyen. La presión de

trabajo baja (0.2-1kgf/cm2), se presenta en aplicaciones de uso doméstico en

regaderas y en algunas aplicaciones industriales para duchas o procesos a

presión baja con tamaño pequeño. Se conoce su principio de funcionamiento a

este nivel como termo circulación o termosifón. La presión de operación

media (1-3 kgf/cm2), se presenta en instalaciones para tamaño mediano y

grande. La presión de trabajo alta (3-6 kgf/cm2), se presenta en aplicaciones

de tamaño mediano y grande.

Tamaño o gasto volumétrico diario. Este tipo de colector nuevamente es el

más versátil; entregará volúmenes de tamaño pequeño, mediano y grande

dependiendo del arreglo y configuración. El tamaño pequeño, menor de 300

lt/día, se presenta en aplicaciones de uso doméstico en regaderas con

presiones de operación baja y media, y procesos industriales a baja presión.

El tamaño mediano, (300 a 5000 lt/día), se presenta en sistemas con

presiones de operación media y alta. El tamaño grande, (más de 5000 lt/día),

se presenta en sistemas con presiones de operación media y alta.

Experiencia o nivel de madurez en la aplicación de la tecnología. El colector

solar plano tiene experiencia amplia en aplicaciones varias como son uso

sanitario en casa habitación, para albercas y fosas de clavados y como

precalentamiento en algunos procesos industriales; por esta razón se califica

con experiencia amplía.

27

Durabilidad o vida útil. El colector solar plano tiene un período de vida útil

probada de hasta 20 años, pero algunos comercializadores garantizan esta

tecnología por 25 años. Este tipo de colector cuenta con una durabilidad o vida

útil larga.

Eficiencia térmica global. Los colectores solares planos operan en un intervalo

de eficiencia de 40-60 % medianamente elevada, debido a su uso para

sistemas a temperatura de operación media 40-60 °C.

4.4 Colector solar de tubos evacuados, características.

En la actualidad, los colectores solares de tubos evacuados han cobrado

importancia, debido a su novedosa tecnología de conversión de energía solar a

térmica y el mecanismo de aislamiento térmico al vacío que presentan. Pese a

esto la tecnología presenta ciertas deficiencias, ya que son fabricados

principalmente por empresas chinas o asociadas con otros países, cuyas

calidades son sumamente variables razón por la cual se debe ser escrupuloso en

cuanto a su evaluación y selección. En aplicaciones en México se presentan

deficiencias debido a la calidad del agua de la red de suministro y a que este tipo

de tecnología opera a temperaturas elevadas siendo éstos los factores propicios

para la formación de depósitos cálcicos. No obstante, esta tecnología tiene

amplías perspectivas futuras y requiere se considere como una tecnología viable

de aplicación.

El colector solar de tubos evacuados está compuesto de dos partes principales o

subsistemas, el de captación y acumulación. El subsistema de captación que da

nombre a este tipo de colector es el tubo evacuado y consta de dos cilindros

concéntricos de vidrio unidos por la base y el tubo externo protege al interno, entre

los cuales se ha sacado el aire; la cara externa del tubo interno está provista de un

material selectivo que capta la radiación solar (Figura 6). El subsistema de

acumulación depende del tipo de modalidad o variante, generalmente se trata de

un termotanque y éste se acopla a los tubos evacuados. Para las variantes de

este colector se presentan algunas diferencias de acuerdo a su acoplamiento y

modo de conversión de la energía.

28

Figura 6. Extremo de un tubo evacuado: 1) Tubo Interior, 2) Superficie absorbedora o película selectiva, 3) Espacio entre los

tubos al vacío, 4) Tubo Exterior (www.sun-radian.es).

Se pueden considerar dos variantes bajo esta tecnología:

Colector solar de tubos evacuados de flujo directo

Colector solar de tubos evacuados con tubos de calor (Heat Pipe)

El colector solar de tubos evacuados de flujo directo, se le denomina así debido a

que el flujo de agua entra directamente en el tanque de almacenamiento de agua

caliente o termotanque y el fluido entra directamente a los tubos. La radiación

solar es transformada en calor útil por los tubos evacuados y transmitida al agua;

el vacío en los tubos elimina las pérdidas convectivas de calor al ambiente y sólo

permite el paso de radiación electromagnética proveniente del Sol al interior del

tubo. El termotanque está diseñado para almacenar el fluido caliente.

El diseño del colector solar de tubos evacuados con tubos de calor o “heat pipe”

varía según cada fabricante, pero tiene en común el uso de un tubo delgado de

cobre provisto en la punta de un bulbo del mismo material, en el cual se introduce

un fluido termodinámico (por ejemplo, glicol o agua-alcohol), después de evacuar

cualquier otro compuesto. El fluido de trabajo no puede salir del tubo y funciona

como un sistema de trasporte de calor o caloportador. De acuerdo con el

subsistema de captación es posible clasificarlos en dos tipos: con aleta provista de

una capa selectiva y de tubos evacuados con película selectiva.

Los colectores solares de tubos evacuados con tubos de calor también se pueden

clasificar por el subsistema de acumulación de energía en autocontenido, que está

provisto de un termotanque acoplado, con sistema de acumulación de agua

caliente centralizado, y como sistema centralizado con acumulación en donde el

termotanque se encuentra aparte del sistema de captación y generalmente en un

nivel más bajo, el agua caliente se recoge por medio de cabezales y se usa con

circulación forzada.

29

El colector solar de tubos evacuados directo tiene un termotanque acoplado al

sistema y se encuentra conectado en serie con los tubos, es decir, el fluido a

calentar, interconecta y embebe a los tubos y al tanque (Figura 7). También se

puede clasificar como sistema pasivo debido a que el flujo de agua dentro del

sistema se da por convección natural o termosifón (termocirculación), sin la

mediación de elementos mecánicos como podría ser una bomba. El tubo expuesto

a la radiación solar alcanza temperaturas superiores a los 100°C y transfiere la

energía al fluido de trabajo. Este último, al calentarse reduce su densidad y tiende

a subir por el tubo, entra al termotanque donde se estratifica. El fluido frío baja al

fondo del termotanque y entra a los tubos. También se puede clasificar como un

sistema abierto ya que utiliza agua de alimentación de la red general a la presión

atmosférica, se le llama también “sistema termosifón para tanque elevado”, debido

a que el agua que alimenta al termotanque proviene de un tanque de

almacenamiento elevado cuando menos 15 cm por arriba de la parte superior del

termotanque pero no mayor a 150 cm. Si el tinaco está por debajo de este nivel, el

sistema no tendrá la presión suficiente para operar y si se encuentra por encima

de este nivel podría crear presiones mayores a las que soporta el sistema, en ese

caso se tiene que incorporar un flotador automático. El termotanque tiene una

serie de orificios alineados tangencialmente a lo largo del cilindro que es

precisamente donde se introducen los tubos evacuados.

El acoplamiento entre tubo y tanque se realiza por medio de un sello mecánico

que consiste en una arandela de silicón o polietileno (Figura 7).

Figura 7. Detalle del acoplamiento

(SEA Manantial; 2008).

Los colectores solares de tubos evacuados con tubos de calor de bulbo caliente

consisten en un bulbo de calor de metal de cobre, el cual se une con un tubo de

cobre rodeado de una placa, dentro de un tubo sellado al vacío (Figura 8).

30

Figura 8. Colectores de tubos evacuados de bulbo caliente

(www.sitiosolar.com).

El bulbo de calor es hueco y en su interior se encuentra un líquido que funciona

como fluido de trabajo. Se puede emplear glicol de bajo calor específico que es un

líquido no tóxico o alcohol con agua purificada y algunos otros ingredientes. El

fluido caloportador está contenido en un tubo capilar de cobre dentro del tubo al

vacío, es decir, se evacua el espacio interior del tubo y del bulbo caliente del

colector solar. La placa de absorción del tubo “heat-pipe” está dentro de un tubo

de vidrio, en el que se ha evacuado el aire para eliminar pérdidas de calor por

conducción y convección. La placa se fabrica con un recubrimiento semiconductor

que es una capa selectiva apropiada para operar en alto vacío para asegurar una

alta absorción de la energía solar y bajas pérdidas por radiación. El resultado es

un elevado aprovechamiento de la energía disponible.

Cuando la radiación solar incide sobre la superficie adosada al tubo evacuado de

cobre, éste se calienta, el líquido dentro del tubo de calor hierve, se evapora y

absorbe calor latente. Como gas asciende sobre el líquido hasta la parte alta del

tubo al bulbo del dispositivo, de ahí su nombre de bulbo caliente. Entonces, el

agua o el glicol que fluyen por el cabezal absorben el calor del bulbo y condensa el

líquido dentro del bulbo y el ciclo se inicia nuevamente. Es importante destacar

que el tubo al vacío al recibir el calor de la radiación solar actúa como evaporador

del líquido interior del tubo y el bulbo superior al contacto con el líquido que fluye

por el cabezal actúa como condensador del vapor dentro del mismo,

transfiriéndole el calor al fluido dentro del cabezal, (Figura 9).

31

Figura 9. Captación de tubos evacuados de bulbo caliente

(www.scribd.com).

Una ventaja de los colectores solares de bulbo caliente es que la transferencia de

calor del bulbo caliente hacia el fluido dentro del cabezal es “seca”, y se hace por

el contacto entre el bulbo y el cabezal (Figura 10). Esto permite que la instalación

sea mucho más fácil, pues los tubos individuales pueden ser intercambiados sin

tener que vaciar completamente el sistema de líquido, tanto para su instalación

como para su mantenimiento. El mismo beneficio se tiene si se rompiera y se

tuviera que cambiar un tubo evacuado, pues el calentador solar puede seguir

funcionando con uno o varios tubos faltantes.

Figura 10. Esquema de interconexión al cabezal.

(www.sitiosolar.com.

32

Para optimizar el rendimiento de los colectores de bulbo caliente, éstos se deben

montar con un ángulo mínimo de inclinación alrededor de 25° para permitir que el

líquido interno del tubo y el bulbo caliente realicen su ciclo en forma más eficiente.

Las altas temperaturas que producen pueden exceder el punto de ebullición del

agua, lo cual pueden causar problemas en un sistema de calentamiento solar de

uso residencial. Por lo tanto, es muy importante verificar que siempre haya una

demanda de agua caliente suficiente para que el sistema almacene la energía a

temperaturas inferiores a la de ebullición del agua.

Los tubos de cristal son frágiles, especialmente porque se hacen de cristal cocido,

que es mucho más delicado que el cristal templado, por lo que se deben extremar

las precauciones al transportar y manipular tubos de cristal.

Otra modalidad de los colectores solares de tubos evacuados con tubos de calor o

“heat pipe” son los compuestos por tubos evacuados de borosilicato con superficie

selectiva como los descritos en la sección de colector solar de tubos evacuados

directo, pero con la variante de contener en su interior un tubo de cobre provisto

de un bulbo en la punta y aletas conductoras (Figuras 11 y 12).

Figura 11. Esquema de tubo evacuado con heat pipe.

Figura 12. Tubo evacuado con heat pipe.

(Referencia http://www.onyxsolar.compaginasth.asp).

33

Del mismo modo que para el heat pipe anterior, la energía solar es absorbida por

el tubo de vidrio y transfiere su energía al tubo de calor por medio de la aleta, en

donde evapora el fluido contenido (Figura 13). Este último, en fase vapor,

asciende hacia el bulbo en donde cede su calor al agua fría del termotanque,

entonces el fluido se condensa, vuelve al estado líquido y desciende. Este proceso

se lleva a cabo de manera continua mientras haya radiación solar presente

Figura 13. Descripción del funcionamiento tubo evacuado con heat pipe. (www.solarfree.cl).

Las diferencias que caracterizan a este tipo de colector solar son el tubo de

borosilicato con película selectiva sobre el tubo de vidrio y que entre este tubo y el

de cobre no existe vacío. Por lo tanto, el transporte de energía se da por medio de

conducción a través de aletas de cobre posicionadas axialmente y convección por

el aire contenido dentro (Figura 14). El sello entre estas dos piezas se realiza

mediante un tapón corcho o algún otro material aislante similar que no sea

susceptible al estrés térmico.

Figura 14. Esquema de tubo evacuado con heat pipe. (Referencia http://www.thermosol.com.mx )

34

Los colectores solares de tubos evacuados con tubos de calor también se pueden

diferenciar de acuerdo con el sistema de almacenamiento de agua caliente en

sistema autocontenido y sistema de acumulación de agua caliente centralizado.

En el sistema autocontenido el colector está provisto de un termotanque acoplado;

el arreglo del cabezal de intercambio de calor, que interconecta al termotanque y

al tubo de calor, puede estar dentro o fuera (Figuras 15 y 16).

Figura 15. Sistema autocontenido con cabezal dentro.

(ORLED; www.infoaserca.gob.mx/claridades/revistas/170/ca170.pdf).

Figura 16. Sistema autocontenido con cabezal fuera (www.modulosolar.com.mx).

En el sistema centralizado con acumulación, el termotanque se encuentra aparte

del sistema de captación, generalmente en un nivel más bajo y con circulación

forzada. La energía se recoge por medio de cabezales En este arreglo, el

termotanque se anexa al colector (Figura 17).

35

Figura 17. Sistema centralizado con acumulación.(ORLED; www.infoaserca.gob.mx/claridades/revistas/170/ca170.pdf).

Características del colector solar de tubos evacuados.

Colector solar de tubos evacuados de flujo directo.

Temperatura de aplicación. Operan en sistemas de temperatura alta, (70-

90°C). Abarca aplicaciones especiales como son procesos industriales, no

obstante se emplean de manera inadecuada para servicio sanitario en regaderas

de uso doméstico.

Presión de operación o de trabajo. Este tipo de colector tiene como

característica principal el operar a presiones bajas y presenta problemas de

sobrepresión cuando no tiene venteo. En el caso de ser provisto con un deareador

o liberador de presión sufre problemas de burbujas de vapor debido a la

temperatura elevada que produce el cambio de fase en el fluido. Los materiales

que lo constituyen también son susceptibles a efectos del tipo escotilla; al

romperse un tubo, los próximos no resisten la presión parcial de vacío a la que son

sometidos e incluso el tanque interno llega a implotarse. Al tratarse de vidrio el

sistema de captación, representa un punto de riesgo en el caso de rotura

accidental por sobrepresión.

La presión de trabajo baja, (0.2-1kgf/cm2) se presenta en aplicaciones de uso

doméstico en regaderas y en algunas aplicaciones industriales para duchas o

procesos a presión baja con tamaño pequeño se conoce su principio de

funcionamiento a este nivel como termo circulación o termosifón.

36

Tamaño o gasto volumétrico diario. Este tipo de colector entregará en

volúmenes bajos, debido a que para mayores volúmenes se requiere de bombeo

implicando una presión de operación mayor a la que soporta el equipo. No

obstante se realizan instalaciones inadecuadas para tamaño mediano y grande

dependiendo del arreglo y configuración.

El tamaño pequeño comprende las aplicaciones que requieren un volumen de

agua diario por abajo de 300 lt/día, como el uso doméstico en regaderas con

presiones de operación baja y media, y procesos industriales a baja presión.

Experiencia o nivel de madurez en la aplicación de las tecnologías. El

colector de tubos evacuados de flujo directo tiene experiencia incipiente en

aplicaciones varias como son el uso sanitario en casa habitación, para albercas y

fosas de clavados y como precalentamiento en algunos procesos industriales.

Durabilidad o vida útil. El colector solar de tubos evacuados tiene un

período de vida útil no probada; se han realizado esfuerzos para que los

comercializadores garanticen la tecnología por un lapso de 10 años, pero como la

gran mayoría de estos es de importación no se cuenta con la seguridad o respaldo

por parte de empresas comercializadoras, debido a que hoy en día éstas aparecen

y desaparecen. Aunado a lo anterior se presentan problemas de incrustaciones en

el sistema de captación y acumulación en periodos de servicio cortos.

Considerando esto puede se decir que este tipo de colector cuenta con una

durabilidad o vida útil corta.

Eficiencia térmica global. Los colectores solares de tubos evacuados de

flujo directo operan en un intervalo de eficiencia de 30-40 %, debido a su uso para

sistemas a temperatura alta 70-90 °C.

Colector solar de tubos evacuados con tubos de calor (Heat Pipe).

Temperatura de aplicación. Operan en sistemas de temperatura alta, (70-

90°C). Abarca aplicaciones especiales como procesos industriales.

Presión de operación o de trabajo. Este tipo de colector opera a presión de

trabajo media y alta, su límite se haya por debajo de 6 kgf/cm2, debido a las

características de los materiales que lo constituyen.

37

Tamaño o gasto volumétrico diario Este tipo de colector es versátil,

entregará en volúmenes de tamaño pequeño, mediano y grande dependiendo del

arreglo y configuración. Tamaño pequeño (300 lt/día). Se presenta en aplicaciones

diversas como el uso doméstico en regaderas con presiones de operación media,

procesos industriales a presión media y alta. El tamaño mediano (300 lt/día a 5000

lt/día), se presenta en sistemas con presiones de operación media y alta. El

tamaño grande (> 5000 lt/día), se presenta en sistemas con presiones de

operación media y alta.

Experiencia o nivel de madurez en la aplicación de las tecnologías. El

colector solar de tubos evacuados de tipo Heat Pipe tiene experiencia regular en

aplicaciones varias como son el uso sanitario en casa habitación, para albercas y

fosas de clavados y como precalentamiento en algunos procesos industriales; por

esta razón se califica con experiencia regular.

Durabilidad o vida útil. Se han realizado esfuerzos para que los

comercializadores garanticen la tecnología por un lapso de 10 años, pero como la

gran mayoría son de importación no se cuenta con la seguridad o respaldo por

parte de las empresas comercializadoras. No obstante, debido a la configuración y

acoplamiento entre los subsistemas de captación y acumulación es menos

susceptible a incrustaciones que el de flujo directo, considerando esto puede

decirse que este tipo de colector cuenta con una durabilidad o vida útil media.

Eficiencia Térmica Global, los colectores solares de tubos evacuados de

tipo Heat Pipe operan en un intervalo de eficiencia en porcentaje 30-40 %, esto

debido a su uso para sistemas a temperatura alta 70-90 °C.

4.5 Matriz de evaluación de las tecnologías.

Analizando las características particulares de cada tecnología se puede llegar a

una matriz de evaluación general para cada tecnología y de recomendación del

tipo de tecnología tomando en cuenta sus parámetros de diseño.

Para la matriz de evaluación surgen como parámetros de decisión la temperatura,

presión de trabajo y el volumen que para cada tecnología conocemos, del mismo

modo se considera su vida útil, experiencia y eficiencia de conversión. Ésta matriz

califica o evalúa de forma general los intervalos de aplicación que a cada

38

tecnología se le atribuyen. Nos ofrece un comparativo entre las tecnologías

(Cuadro 4).

Para la aplicación de esta matriz se procede de la siguiente manera:

1. Se ubica la temperatura de aplicación o la requerida en el primer renglón de

las variables, se procede a identificar el tipo de tecnología útil en las columnas.

2. Una vez seleccionada la tecnología se recorre hacia abajo sobre la columna

para saber si la tecnología tolera la presión de operación, si es así se sigue

hacia abajo para saber si entrega en los volúmenes necesarios.

3. Si cumple se procede a calificar la experiencia, durabilidad y eficiencia.

Por ejemplo, el colector solar de polipropileno se recomienda para sistemas a

temperatura baja, presión media y alta, de tamaño mediano y grande. Se

considera que para ésta aplicación tiene experiencia amplia de durabilidad media

y eficiencia térmica global alta.

No se debe pasar por alto que aunque cada una de las tecnologías es aplicable a

las temperaturas inferiores a su aplicación fue diseñada para operar en los

intervalos descritos.

Cabe destacar que pueden existir excepciones al tipo de aplicaciones

presentadas, no obstante se presenta como recomendación para la selección de

la tecnología adecuada.

39

Cuadro 4. Matriz de evaluación de las tecnologías.

Variables

Tecnologías

Colector solar de

polipropileno

Colector solar de

placa plana

Colector solar de tubos

evacuados directo

Colector solar de tubos

evacuados tipo Heat Pipe

Temperatura (°C)

baja (22-28) ☺ ☺

media (40-55)

☺ ☺ ☺

alta (70-90)

☺ ☺

Presión de trabajo

(kgf/cm2)

baja (0.2-1)

☺ ☺

media (1-3) ☺ ☺ ☺ alta (3-6) ☺ ☺ ☺

Tamaño (lt/día)

pequeño (<300)

☺ ☺ ☺ mediano

(>300< 5000) ☺ ☺ ☺ grande (>5000) ☺ ☺ ☺

Experiencia

incipiente ☺

regular ☺ amplia ☺ ☺

Durabilidad (años)

corta (<5)

☺

media (≥ 5 ≤ 10) ☺ ☺

larga (> 10 ≤ 20)

☺

Eficiencia η %

baja (30-40 %)

☺ ☺ media

(40-60 %) ☺

alta (65-80 %) ☺

40

4.6 Matriz de Selección de la tecnología de acuerdo con el usuario.

En esta sección se combinan los resultados de la matriz lógica de clasificación del

usuario (Cuadro 1) del capítulo 2 y la matriz de evaluación de las tecnologías

(Cuadro 4) del presente capítulo. Pretende asignar a cada usuario resultante de la

clasificación, la recomendación adecuada. Ahora bien, las variables de

aceptabilidad de la tecnología se mantienen para poder romper empates o habilitar

la decisión correcta entre dos posibles tecnologías (Cuadro 5).

La manera de leer esta matriz es:

1. Una vez clasificado el tipo de usuario se posiciona sobre el renglón adecuado

y se recorre de izquierda a derecha los tipos de tecnologías útiles para su

necesidad

2. Se observa cual tecnología ofrece las características deseadas,

3. Se analizan las características aplicables a su necesidad en el caso de existir

dos o más tecnologías aplicables.

Por ejemplo para los usuarios de la A a la E se tienen dos tipos de tecnologías

útiles el colector de polipropileno y el de placa plana; la decisión se realiza

comparando en primer lugar la experiencia que tiene la tecnología sobre esa

aplicación; en este caso, las dos tienen experiencia amplia. Se procede a observar

su durabilidad; en este caso el de placa plana tiene una vida útil mayor. Se debe

revisar también la columna correspondiente a la eficiencia térmica global y en este

caso resulta más eficiente el de polipropileno. De esta manera se puede decidir

entre la tecnología que presenta mayor eficiencia térmica global lo que significaría

menor área de captación o la de mayor vida útil sin olvidar que ésta representa un

mayor costo de inversión.

41

Cuadro 5. Matriz de selección de tecnología de acuerdo con el usuario.

ExperienciaDurabilidad

(años)

Eficiencia η

%Experiencia

Durabilidad

(años)Eficiencia η % Experiencia

Durabilidad

(años)Eficiencia η % Experiencia

Durabilidad

(años)

Eficiencia η

%

A, B, C, D, E

F

G, H, I, J, K, L, M, N, Ñ

O

P, Q, R, S

ExperienciaDurabilidad

(años)

Eficiencia η

%

incipiente corta (<5)baja

(30-40 %)

regularmedia

(≥ 5 ≤ 10)

media

(40-60 %)

amplíalarga

(> 10 ≤ 20)

alta

(65-80 %)

Código

Matriz de selección de

tecnología de acuerdo al

usuario

Tipo de tecnología

Tipo de usuario

Colector solar de polipropileno Colector solar de placa planaColector solar de tubos evacuados

directo

Colector solar de tubos evacuados tipo

Heat Pipe

42

5. Evaluación del recurso solar.

El presente capítulo tiene como objeto mostrar la importancia de conocer la

magnitud del recurso solar energético promediado a lo largo del año sobre una

superficie horizontal o inclinada en una región en particular, de modo que se

pueda realizar un análisis de las implicaciones técnico-económicas de la

instalación de un sistema solar.

El funcionamiento de las tecnologías desarrolladas para convertir la energía solar

en energía aprovechable depende de la disponibilidad de la radiación solar que

varía de manera importante en diferentes climas y regiones, por su carácter

intermitente, nubosidad, lluvia, etc.

5.1 Factores que intervienen en la radiación solar que alcanza la superficie

terrestre.

Cuando una persona observa el Sol siente dos tipos de manifestaciones, la

primera es la de deslumbramiento y la segunda es un aumento de la temperatura.

Desde el punto de vista de la física se llama radiación a la propagación de energía

en forma de ondas electromagnéticas o de partículas de acuerdo con el concepto

de dualidad onda-partícula.

Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética como consecuencia de su

energía interna; en condiciones de equilibrio es proporcional a la temperatura del

cuerpo. Esa energía emitida ocurre en un amplio intervalo de longitudes de onda

que varía entre 10-10 y 104 m, (Figura 18). Las menores longitudes de onda están

asociadas a los rayos gama, rayos X y la radiación ultravioleta, mientras las

microondas presentan grandes longitudes de onda. Los valores de longitud de

onda entre 0.1 y 100 m se refieren a la radiación térmica que puede detectarse

como calor o luz. La fuente emisora de esta radiación es el Sol y es la Tierra la

que la intercepta. La radiación emitida por el Sol, está en el intervalo de longitudes

de onda entre 0.1 y 3.0 m, conocida como banda o espectro solar (Figura 19).

Del total de esa energía, el 47% es radiación visible, el 46% es infrarroja y el 7%

es ultravioleta. De acuerdo con su longitud de onda se tiene más o menos energía;

la radiación infrarroja tiene energía moderada, mientras la ultravioleta posee

longitudes de onda muy pequeñas y contenido energético alto (Valdés 2007).

43

Figura 18. Espectro de Radiación Electromagnética (es.wikipedia.org).

Se considera que el Sol emite a una temperatura superficial del orden de 6000K.

La radiación emitida por cuerpos entre 100 y 1000°C, se da en la región del

infrarrojo, entre 0.7 y 1000 m. La región de longitudes de onda superiores a 3.0

m se conoce como banda de emisión.

Figura 19. Banda solar y Banda de Emisión en el Infrarrojo (Curso Taller Calentamiento Solar).

La descripción de la radiación solar tiene como base su naturaleza espectral y

direccional, y puede entenderse como una distribución continua no uniforme de

varios componentes monocromáticos, que explica la variación de la intensidad de

radiación en función de la longitud de onda.

Su naturaleza direccional puede simplificarse admitiendo que la radiación se emite

de modo uniforme en todas las direcciones, es decir, la distribución y la superficie

emisora son perfectamente difusas.

44

La potencia de la radiación o flujo de energía de radiación (), es la razón o tasa a

la cual cierta cantidad de energía de radiación es emitida o recibida por un objeto

por unidad de tiempo. Se expresa en Joules por segundo o Watts. A la densidad

de este flujo por unidad de área (Flux), se le llama Irradiancia (G) y se expresa en

Watts por metro cuadrado (W/m2).

Como la distancia de la Tierra al Sol varía a lo largo del año, la cantidad de

radiación solar interceptada varía a lo largo del año, no obstante se conoce como

constante solar ( ) a la cantidad de energía recibida en forma de radiación solar

por unidad de tiempo y unidad de superficie (Irradiancia), medida en la parte

externa de la atmósfera en un plano perpendicular a los rayos. Los resultados de

su medición por satélite indican un valor promedio de 1366 W/m2 cuando la Tierra

está a su distancia media del sol (149.5*106 km). La Tierra en su conjunto, dada

su sección transversal de 127,400 millones de km2, recibe una cantidad de

energía del orden de 1.74*1017 W ( ). (Duffie 1991)

Al ingresar a la atmósfera, la radiación solar sufre una serie de atenuaciones. Al

pasar por las capas superiores de la atmósfera comienza a sufrir modificaciones

por absorción y dispersión (esparciación) por gases y partículas. A 50 Km de

altura solo se da absorción en algunas bandas del ultravioleta por el oxígeno

atómico y molecular. Hacia las capas más bajas de la atmósfera, la radiación solar

sufre modificaciones significativas, en primer lugar por la absorción del ozono (O3),

el cual elimina del flujo primario casi toda la radiación ultravioleta. En la

estratosfera también se observa la atenuación por las partículas y gases. (Muhlia

2009)

En la estratosfera inferior y en la tropósfera se tienen las componentes

atmosféricas que llevan a cabo la modulación fundamental del flujo de radiación

solar: el vapor de agua, el bióxido de carbono y las partículas en suspensión. La

interacción de la radiación solar se lleva a cabo por absorción y por esparciación.

Sobre la superficie terrestre se define a la radiación solar como Radiación Solar

Global (en el caso de incidir sobre una superficie horizontal) o Radiación Solar

Hemisférica, cuando incide sobre una superficie plana determinada, sobre la

superficie terrestre proveniente de la bóveda celeste y propagándose en

direcciones comprendidas dentro de un ángulo sólido de valor sr.

Por los mismos fenómenos se producen flujos secundarios de la radiación solar:

radiación solar directa y la radiación solar difusa (la radiación que se dispersa o

esparce por la atmósfera así como la radiación que es reflejada por el suelo).

45

Frecuentemente se usa el término de “radiación global” en lugar de “radiación

hemisférica”, si la superficie está en posición horizontal. Esta costumbre es fuente

de confusión si la superficie en cuestión no es horizontal. En este documento se

considera que la radiación solar es Global debido a que el flux efectivo por ancho

de ventana sobre una superficie es el mismo para ambos conceptos.

Irradiancia Solar Global.

La irradiancia solar global (Gg) es la radiación solar recibida de un ángulo sólido

de sr sobre una superficie horizontal (Figura 20); cuando ésta incide sobre una

superficie arbitrariamente orientada un ángulo , e inclinada un ángulo , depende

de tres contribuciones: la componente debida a la radiación solar directa, la

causada por la radiación solar difusa procedente del cielo y la originada por la

radiación normalmente difusa reflejada por el suelo circundante con cierta

reflectividad (albedo). Se expresa en W/m2. (PROY-NMX-ES-002-NORMEX-2006)

Figura 20. Descripción geométrica de la radiación solar sobre una superficie arbitrariamente inclinada y orientada.

Irradiancia Solar Directa.

La irradiancia solar directa (Gb), es la densidad de flujo de radiación solar que

incide perpendicularmente sobre la superficie plana normal al vector de posición

del sol, sin haber sufrido ningún cambio de dirección por reflexión o por difusión a

su paso por la atmosfera. No obstante, esta componente de la radiación se ve

atenuada por absorción y esparciación.

46

Irradiancia Solar Difusa.

La irradiancia solar difusa (Gd), es la densidad de flujo de radiación solar difusa o

esparcida. Este flujo secundario de radiación solar se forma por el efecto de

esparciación y se encuentra intimimamente relacionado con el concepto de

heterogeneidad óptica. Efectivamente, cuando la radiación se propaga en un

medio cuyas propiedades ópticas son constantes, la dirección de propagación no

varía y por lo tanto la esparciación no se observa; pero si en el camino de las

ondas electromagnéticas se encuentran objetos o volúmenes en los cuales el

índice de refracción es diferente al del medio de propagación, éstos son excitados

por la acción de la radiación incidente y se convierten en emisores de ondas de

radiación secundarias.

La atmósfera, para el estudio de la esparciación de la radiación, puede

considerarse como un aerosol una solución de sólidos en el caso de partículas

atmosféricas, en una mezcla de gases del aire. Se considera también el caso de

partículas líquidas (gotas) y mixtas (núcleos sólidos con cubierta líquida). Debido

al movimiento caótico de las partículas en el aire, estas constituyen centros

efectivos de esparciación de la radiación solar.

Así pues, la irradiancia solar difusa es la componente de la radiación que se recibe

tras haber sufrido cambios de dirección por difusión a su paso por la atmosfera y

reflexión por las nubes y el entorno circundante.

Normalmente Gb y Gd se registran de manera conjunta, mediante un piranómetro,

para obtener la irradiancia solar global (Gg). Las componentes directa y difusa de

la irradiancia global se relacionan entre sí mediante la siguiente expresión:

Donde representa el ángulo formado por la normal a la superficie considerada y

el vector de posición del sol (Figura 20).

Otro factor de atenuación de la radiación solar es el espesor de la capa

atmosférica que ésta atraviesa hasta llegar a la superficie terrestre ya que ahí es

precisamente donde ocurren los fenómenos de atenuación mencionados. El

concepto de masa de aire o masa óptica relativa del aire (m) pretende cuantificar

la longitud del camino recorrido por la radiación solar. Este valor depende de la

47

altura solar () y de la presión atmosférica (p), la cual depende a su vez de la

altura sobre el nivel del mar. (González 2007). El valor de la masa de aire puede

ser calculado mediante la siguiente ecuación:

donde está expresada en grados y (p/p0) es la presión atmosférica corregida por

la altitud del lugar:

donde z es la altura sobre el nivel del mar en metros y HR = 8400m (Figura 21).

Figura 21. Masa óptica del aire a nivel del mar (z = 0m).

El factor de turbiedad de Linke (TLK), es un factor atmosférico de atenuación que

es función de la densidad de los distintos constituyentes de la atmósfera. Su

influencia se estima mediante la comparación de la profundidad óptica registrada

con la teórica calculada para un día perfectamente claro y seco. Los valores

empíricos de este factor en función de la cantidad atmosférica son:

Atmósfera muy clara TLK = 2 Atmósfera clara (aire cálido) TLK = 3 Atmósfera con partículas en suspensión

TLK = 4 - 6

Atmósfera con polución TLK > 6

Normalmente, este factor presenta variaciones cíclicas anuales con valores

mínimos en invierno y máximos en verano. A partir de datos experimentales se

48

puede observar que la componente difusa de la irradiancia solar global (Gg) se

incrementa con el índice de turbiedad de Linke, mientras que la componente

directa (Gd) decrece (Figura 22). El empleo de este factor de turbiedad, resulta

muy útil para estimar las componentes difusa y directa para cielos claros.

Figura 22. Componente difusa para cielos claros sobre superficies horizontales en función del factor de turbiedad de Linke

(Notas del Curso de Diplomado Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red para ingenieros de CFE Distribución).

.

Con las estaciones, la altura del sol (α) respecto a la horizontal cambia al alcanzar

el cenit, tal como se observa en la Figura 20. Del mismo modo la altura solar (α)

respecto a la horizontal varía con la latitud del lugar. La posición del sol puede ser

calculada de manera precisa a partir de las relaciones geométricas sol-tierra, la

latitud local el día y hora del año.

El conocer la irradiancia solar global y su atenuación no es suficiente debido a que

lo que interesa saber es por cuánto tiempo se va a presentar este flujo. Es decir,

se requiere estimar la cantidad de irradiación que incide sobre cierta superficie

durante cierto tiempo y por unidad de área. Para esto se integra la irradiancia

global o densidad de flujo en un intervalo que generalmente es por hora y por día.

A este valor se le denomina irradiación (I) y está dado en Mega Joules por metro

cuadrado (MJ/m2).

Las expresiones para la irradiación solar horaria y diaria son:

49

Además, una vez conocida la Irradiación solar y la naturaleza de sus principales

componentes la altura solar α se renombra h, y se relaciona con esta de la

siguiente forma (Figura 23).

Figura 23. Componentes de la Irradiación Solar (Presentación IIEE Curso de Diplomado para Ingenieros de CFE

Distribución)

El mejor uso del recurso solar es un requisito para garantizar el buen

funcionamiento de la instalación con la menor inversión en el sistema. La

instalación correcta y óptima de una superficie captadora de energía solar exige

una definición previa de la inclinación y orientación más adecuada, en función de

la posición geográfica de la localidad.

Orientación e Inclinación de la superficie captadora.

La posición correcta de la superficie captadora tiene como objetivo ofrecer el

mayor período diario de insolación sobre la superficie, mayor captación de la

radiación solar en determinadas épocas del año o en promedios anuales,

dependiendo del tipo de aplicación requerida o de particularidades del uso final de

la energía.

El primer elemento para definir la orientación de la superficie es la posición

geográfica del lugar de la instalación, para cual se utilizan las principales

coordenadas:

50

Latitud geográfica () corresponde a la posición angular en relación a la

línea del Ecuador, considerada latitud cero. Cada paralelo trazado en relación al

plano del Ecuador corresponde a una latitud constante: positiva, si se traza al

Norte y negativa, si está al Sur del Ecuador (Figura 24).

Figura 24. Latitud Geográfica. (http://www.escolar.com/avanzado/geografia008.htm)

Longitud geográfica (L) es el ángulo medido a lo largo del Ecuador de la

Tierra, teniendo su origen en el meridiano de Greenwich (referencia) y extremidad

en el meridiano local. En la Conferencia Internacional Meridiana se definió su

variación de 0o a 180o (oeste de Greenwich) y de 0o a –180o (este de Greenwich).

(Figura 25).

Figura 25. Latitud Geográfica. (http://www.escolar.com/avanzado/geografia008.htm)

Se debe conocer el movimiento del sistema Sol-Tierra. De acuerdo a las

coordenadas del Sistema Geocéntrico que permite localizar al sol en la bóveda

celeste; definimos a la declinación solar como el ángulo formado por la línea Sol-

Tierra y el plano del ecuador terrestre (norte pasivo). La declinación solar es cero

en las fechas de los equinoccios (21 de Marzo y 22 de Septiembre) variando

cíclicamente de +23.45° que corresponde al solsticio de verano (22 de Junio) a -

23.45° que corresponde al solsticio de invierno (22 de Diciembre). (Figura 26 a y

b).

51

Figura 26 a) trayectoria solar; Figura 26 b) Esfera celeste. www.absoluterprotecsol.com

Este ángulo toma importancia cuando se habla de maximizar la captación solar en

una época del año en particular.

Ahora bien para un observador ubicado a cierta latitud y longitud surge un sistema

de coordenadas Local que permite ubicar al Sol en la bóveda celeste, para el cual

se definen dos ángulos principales: ángulo acimutal solar y ángulo cenital solar.

El ángulo acimutal solar – acimut solar (S gamma solar), es el ángulo formado por la

línea recta que une al Sol (localizado en la bóveda celeste) y un observador en la

tierra proyectada en el plano horizontal y la línea que va del punto de observación;

al Sur (en el hemisferio Norte) o al Norte (en el hemisferio Sur), Este ángulo se

mide sobre el plano horizontal local, a partir de la línea Norte Sur con signo

negativo hacia el Este y signo positivo al Oeste. El acimut es negativo en la

mañana, 0° a medio día solar, hora a la que culmina el Sol, y positivo en la tarde.

A la hora de la culminación, por definición son las 12 horas en Tiempo Solar

Verdadero. Este ángulo justifica cabalmente la necesidad de orientar hacia el sur

(en este lado del hemisferio) nuestra superficie captadora para maximizar el

tiempo de exposición a la radiación solar (Figura 27).

52

Figura 27. Ángulo Acimutal y Cenital Solar.

El cenit es el punto de intersección de la línea vertical sobre el observador y la

bóveda celeste. Al ángulo formado por la línea recta que va del observador sobre

la Tierra al Sol, y la línea vertical sobre el punto de observación se le llama ángulo

cenital solar (z), (Figura 27).

Si se usan correlaciones geométricas y se combina la declinación solar con el

ángulo cenital surge el ángulo de corrección de nuestra superficie captadora para

que la radiación solar promediada llegue perpendicularmente en la época crítica

(generalmente invierno que es cuándo se encuentra el Sol en su ángulo de

inclinación máximo), a este ángulo se le denomina ángulo de incidencia (),

cuando se trata de la radiación solar directa, este ángulo es el que existe entre la

línea que une el centro del disco solar y un punto en la superficie irradiada (o sea

la dirección de propagación de la radiación solar directa) y una normal a esta

superficie. Este concepto aplicado para algunas fechas en particular (Figura 28).

Comúnmente coincide con la latitud del lugar de la instalación.

Figura 28. Angulo de Incidencia.

53

Por ejemplo para un observador ubicado en la Universidad Autónoma

Metropolitana unidad Iztapalapa en el azotea del gimnasio en el área de

actividades deportivas (Ciudad de México D.F.) con 19.36° de latitud Norte y

99.06° longitud Oeste; sí lo que se desea es maximizar la captación solar en

invierno la inclinación de nuestra superficie será 19.36°, no obstante existen

ciertas tolerancias normalizadas de ±10° y la orientación hacia el sur ± 15° hacia el

este u oeste (Figura 29).

Figura 29. Orientación e Inclinación para el Aeropuerto Internacional de México D.F. para Diciembre.

5.2 Datos de irradiancia y Atlas solares.

Para calcular la irradiancia y su integración en un intervalo temporal determinado o

irradiación sobre una superficie horizontal o inclinada en una época del año para

una localidad especifica, se ocupan diversos conceptos y correlaciones

geométricas. No obstante, existen atlas de irradiancia publicados por las

estaciones Meteorológicas Nacionales que presentan los datos de irradiancia cada

1 minuto, 5 minutos, horarios o diarios, con los cuales se puede trabajar con

intervalos de energía o desviaciones estándar para calcular la irradiación diaria

promedio o mensual promedio a lo largo del año. Generalmente se reportan en

MJ/m2día.

Otra fuente para estimar la irradiación en una localidad son los mapas solares que

presentan la irradiación global promedio anual en W/m2día para la República

Mexicana (Figura 30).

54

Figura 30. Irradiación Solar Global promedio anual (Presentación IIE Curso de Diplomado Sistemas Fotovoltaicos

Conectados a la Red para Ingenieros de CFE Distribución)

Además existen metodologías automatizadas o semiautomatizadas para calcular

la irradiación solar global diaria promedio mensual entre las cuales es posible citar:

Estimación de la irradiación solar global diaria promedio mensual, “Modelo

de la Hoja de Cálculo RADIAC2.XLS Universidad Veracruzana”, la cual toma en

consideración el porcentaje de cielo diurno despejado, la declinación solar,

soleamiento astronómico y con esto calcula la Irradiación global diaria media

mensual, así como sus componentes directa y difusa. Presentan los resultados

como un mapeo mensual de estas irradiaciones.

“ClimGen NASA”, que toma en consideración correlaciones y modelos

Europeos así como datos meteorológicos y satelitales para calcular la Irradiación

global diaria promedio mensual y sus componentes directa y difusa.

“Programa RADII del Instituto de Ingeniería de la UNAM”, el cual sirve para

obtener las irradiaciones global, directa y difusa, en superficies horizontales e

inclinadas, así como la irradiación directa normal, para cada mes del año, en la

República Mexicana. Para obtener la irradiación global, utiliza el modelo de Reddy,

que hace uso de datos meteorológicos; para las otras irradiaciones se usan

modelos conocidos de la literatura. Los datos que entrega el programa

55

corresponden a las irradiaciones directa normal, directa horizontal y difusa

horizontal, así como las correspondientes a un plano inclinado con un ángulo igual

a la latitud de la localidad, en valores diarios promedio mensual.

Existen más modelos y programas para calcular a la Irradiación pero se

recomienda el uso del RADII ya que emplea datos meteorológicos nacionales y

correlaciones geométricas para México, además de que el programa es amigable.

Aplicación del programa RADII.

Para utilizar el software es necesario conocer las coordenadas geográficas de la

localidad donde se piensa implantar la tecnología de aprovechamiento solar,

latitud Norte y longitud negativa para la ciudad de México por estar al oeste del

Meridiano de Greenwich.

Por ejemplo, se tiene un observador ubicado en la Universidad Autónoma

Metropolitana unidad Iztapalapa de la ciudad de México, en el azotea del

Gimnasio en el área de actividades deportivas se tiene unas coordenadas de

19.36° de latitud Norte y 99.06° longitud Oeste, con una elevación de 2234.7936 m

snm. Los datos se ingresan en la página principal del programa (Figura 31). En

ésta se puede observar la irradiación diaria promedio mensual en MJ/m2 sobre

una superficie horizontal.

Figura 31. Irradiación Global diaria Promedio Mensual en MJ/m

2 sobre la horizontal (RADII).

56

Cuadro 6. Irradiación global promedio mensual sobre una superficie horizontal en

kWh/m2

Recurso Solar UAMI (horizontal).

RAD II Latitud (N) Longitud (W)

Coord Geo 19º21´48" 99º04´21"

Entradas 19.36º -99.04º

Días Mes Global (MJ/m

2*

día-prom mes) Global (kWh/m

2*

día-prom mes) Global Contribución

Mensual (kWh/m2*mes)

31 Enero 16.3645 4.5457 140.9165

28 Febrero 18.3185 5.0885 142.4772

31 Marzo 20.4259 5.6739 175.8897

30 Abril 20.8926 5.8035 174.1050

31 Mayo 20.7392 5.7609 178.5876

30 Junio 19.4802 5.4112 162.3350

31 Julio 18.8611 5.2392 162.4150

31 Agosto 18.5462 5.1517 159.7034

30 Septiembre 18.2321 5.0645 151.9342

31 Octubre 16.8743 4.6873 145.3065

30 Noviembre 16.0023 4.4451 133.3525

31 Diciembre 14.6551 4.0709 126.1967

365 Media

Mens/Anual 18.2827 5.0785 154.4349

Se puede observar que el potencial diario medio mensual a lo largo del año para

una superficie horizontal en el sitio es de 18.2827 MJ/m2 día promedio ó 5.0785

kWh/m2* día-prom. En el mapa de Irradiación presentado se valida este dato, del

D.F. (Figura 30), el cual está entre 5-6 kWh/m2* día-prom.

Es posible afirmar que el valor crítico o menor para este punto es en el mes de

Diciembre con 4.0709 kWh/m2* día-prom mes y el máximo se alcanza en el mes

de abril con 5.8035 kWh/m2* día-prom mes.

Los valores para una superficie inclinada a un ángulo igual a la latitud del lugar se

muestran en la Figura 32 y el Cuadro 7. Se esperaría un aumento con relación al

promedio anterior, debido a la corrección del ángulo de incidencia.

57

Figura 32. Irradiación Global diaria Promedio Mensual en MJ/m

2 RADII sobre una superficie inclinada.

Cuadro 7. Irradiación global promedio mensual sobre una superficie inclinada en

kWh/m2

Recurso Solar UAMI (Inclinada)

RAD II Latitud (N) Longitud (W)

Coord Geo 19º21´48" 99º04´21"

Entradas 19.36º -99.04º

Días Mes Global Inclinada (MJ/m

2* día-

prom mes)

Global Inclinada (kWh/m

2* día-

prom mes)

Global Inclinada Contribución Mensual

(kWh/m2*mes)

31 Enero 19.3778 5.3827 166.8644

28 Febrero 20.5536 5.7093 159.8613

31 Marzo 21.3688 5.9358 184.0091

30 Abril 20.4955 5.6932 170.7958

31 Mayo 19.4600 5.4056 167.5722

30 Junio 17.8980 4.9717 149.1500

31 Julio 17.5375 4.8715 151.0174

31 Agosto 17.8243 4.9512 153.4870

30 Septiembre 18.3996 5.1110 153.3300

31 Octubre 18.1326 5.0368 156.1418

30 Noviembre 18.5362 5.1489 154.4683

31 Diciembre 17.4031 4.8342 149.8600

365 Media Mens/Anual

18.9156 5.2543 159.7131

58

Aunque la media mensual es ligeramente superior para una superficie inclinada, la ventaja de la inclinación ocurre cuando se observa la media mensual de diciembre y su comportamiento a lo largo del año (Figura 33).

Figura 33. Irradiación Diaria Promedio Mensual Global para 19.36° de latitud Norte y 99.06° longitud Oeste (kWh/m2*

día-prom mes)

Como puede observarse, el comportamiento de la Irradiación sobre una superficie

inclinada sufre menores variaciones que para la superficie horizontal (Figura 33).

De la misma manera comparando el valor crítico de cada uno de estos

comportamientos se tiene que para la superficie inclinada a un ángulo igual al de

la latitud del lugar este valor es muy superior que el de la horizontal. La superficie

inclinada maximiza la captación promedio a lo largo del año.

59

6. Dimensionamiento del Sistema Solar

Para un adecuado dimensionamiento de un sistema solar se deben considerar

varios factores como son: las necesidades térmicas, el tipo de tecnología acorde a

la aplicación y al tipo de usuario, el recurso solar de la localidad y la conversión

energética de acuerdo con la tecnología seleccionada.

6.1 Descripción de la Metodología para el Diseño del Sistema solar

La metodología se resume y compila al aplicar los resultados de cada capítulo

anterior. Los elementos a considerar para el dimensionamiento son:

a) Demanda energética o necesidades térmicas y tipo de usuario, surge del

capítulo 2 donde se discute ampliamente la manera de calcular u obtener las

necesidades térmicas y la aplicación de la matriz para la selección del tipo de

usuario.

b) Selección de la tecnología acorde con las necesidades de cada usuario, del

capítulo 3 donde se evalúan las tecnologías estudiadas y se le propone al tipo de

usuario la tecnología congruente a su necesidad.

c) Evaluación del recurso solar, del capítulo 4 se evalúa la disponibilidad del

recurso en la zona geográfica de la implantación del sistema solar.

6.2 Ejemplos de Aplicación.

6.2.1 Instalación Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa.

Cálculo de las necesidades.

El primer paso es determinar la necesidad:

a) Temperatura de aplicación para duchas en centros deportivos se

recomienda sea de 45°C.

b) Presión de operación, ésta es regida por la infraestructura del lugar el cual

cuenta con un hidroneumático que tiene una presión de arranque de 4.5

kgf/cm2.

c) Gasto volumétrico diario, utilizando la ecuación 3 del capítulo 2, con un

valor promedio de 20.15 lt de gas LP/día y considerando que el calentador

60

convencional entrega el agua caliente a 80°C. Partiendo del balance de

energía (sin considerar pérdidas en tuberías).

donde:

se tiene que:

Se obtiene que al día se consumen 1900 lt a 80°C. Ahora bien si

consideramos que tradicionalmente en cada sesión de ducha se emplean en

promedio 45 litros de agua a 45°C, de los cuales 20 lt están a 80°C (salida del

boiler) y 25 lt a 20°C (agua de suministro), se puede obtener el número de

duchas que podrían proporcionar los 1900 lt /día a 80°C

Si multiplicamos el número de duchas diarias por el consumo promedio por

ducha obtenemos el gasto volumétrico diario

61

Ahora bien para conocer el tamaño del sistema se usa la siguiente expresión

Si se considera que el Cp del agua es constante por debajo de los 100°C la

expresión 13 se reescribe

Donde

m1= masa del agua caliente proporcionada por el sistema solar

T1= Temperatura del agua de almacenamiento 20° por arriba de la aplicación

= 65°C

m2= masa de agua fría = 2375 lt/día

T2= Temperatura del agua de suministro = 20°C

m3= gasto volumétrico diario = 4275 lt/día

T3= Temperatura de aplicación = 45°C

Así pues el tamaño del sistema solar deberá proveer al menos 2229 lt/día de

agua a 65°C

d) Régimen de consumo, aunque se tiene períodos horarios con mayor

demanda el uso del agua caliente se da a lo largo del día, por esto se

considera como continuo. En este caso ya no es necesario recalcular el

volumen del tanque de almacenamiento debido a que para calcular el

tamaño del sistema se empleo la temperatura de almacenamiento o

equivalente y para obtener el gasto volumétrico se aplicó el balance de

energía (Ecuaciones 12 y 15). Se recomienda un aislamiento en el

termotanque de fibra de vidrio de 5 cm de espesor.

62

Clasificación del usuario

Del apartado anterior y aplicando el cuadro 1 del capítulo 2, se determina que el

usuario es tipo J.

Selección de la tecnología

De acuerdo con el cuadro 5 del capítulo 3, la mejor tecnología recomendada es el

colector solar de placa plana.

Evaluación del recurso solar

Tomando los resultados obtenidos en la sección 2 del capítulo 4, el valor de la

irradiación promedio anual sobre una superficie inclinada y orientada hacia el sur,

para la azotea del gimnasio de actividades deportivas de la UAMI es de alrededor

de 5kWh/m2día. La inclinación debe ser de 19.4°.

Área de captación

El área de captación surge de calcular en primer lugar la demanda energética y

dividiéndola entre el producto de la eficiencia térmica global por la irradiación que

se obtuvo al evaluar el recurso solar.

Donde

m1= masa del agua caliente proporcionada por el sistema solar diario = 2229

lt/día

T1= Temperatura del agua de almacenamiento = 65°C

T2= Temperatura del agua de suministro = 20°C

CpH2O = 4180 J/lt°C

Para el área de captación se tiene

63

Donde

DE = Demanda energética = 419274.9 kJ/día

I = Irradiación promedio anual sobre una superficie inclinada y orientada = 5

kWh/m2día (en el lugar de la implantación).

ηtg = eficiencia térmica global de conversión, para sistemas de temperatura media

y tipo de tecnología = 61%

El área requerida para el sistema debe ser menor que el área efectiva disponible.

El número de colectores se obtiene al multiplicar el área de captación por un factor

de seguridad que en este caso se considera como Fs=1.7 y dividir ese producto

entre el área unitaria del colector de placa plana estudiado en el cuadro 3 del

capítulo 3, Ac = 1.649 m2.

Si redondeamos el valor anterior a un entero obtenemos 40 colectores.

Es importante revisar la infraestructura, la obra civil o las condiciones del lugar

como son área disponible y los sombreos indeseables.

Área disponible

El área disponible es un factor importante, en el caso de ser muy pequeña limitaría

el tamaño del sistema. Se recomienda que el sistema se ubique lo más cercano

posible al punto de consumo para reducir así las perdidas térmicas en tuberías. La

planta arquitectónica del área de la azotea de actividades deportivas muestra el

área disponible (Figura 33). El área efectiva utilizable será aquella que presente

64

menores obstáculos que puedan generar sombreos indeseables y que además

soporte el peso del sistema de captación y acumulación (Figura 34).

Figura 33. Planta arquitectónica del área disponible.

65

El área efectiva utilizable es de concreto armado el cual soporta en promedio de

220 a 300 kg/m2 sin sufrir deformaciones o deflexiones. La cual se ubica alrededor

del domo, donde se tienen 2 claros de 7.19X35.86 m con un área de dos veces

258 m2 más la parte superior que es de 45.6 m2 (Figura 34), además debe de

tomarse en cuenta la orientación hacia el sur, lo que reduce un poco el área

efectiva. El área efectiva es por mucho mayor a la requerida.

7.19 m

35.8

6 m

6.5

m

6.5

m

7.02 m

Figura 34. Área Efectiva azotea del gimnasio UAMI.

66

Repartiendo el número de colectores en un área útil y respetando la separación

mínima entre ellos que debe de ser mínimo la altura, el sembrado propuesto se

observa en la Figura 35.

Figura 35. Área del sembrado colectores azotea del gimnasio UAMI.

A continuación se muestran algunas vistas 3D de los colectores, Figura 36.

Figura 36. Vistas 3D colectores solares azotea gimnasio UAMI.

67

Para evitar que las ráfagas de viento desprendan los colectores se propone una

subestructura de ángulo de acero de 2” x ¼” protegida con primer anticorrosivo

alquídalico y pintura epóxica o plástica aplicada con brocha, anclada a una dala

superficial de concreto armado de varilla de 3/8” y anillos de ¼” de alambrón.

Figura 37 y 38.

Figura 37 detalle de subestructura de colectores.

Figura 38 detalle dala de anclaje de colectores.

68

Se procede a calcular la carga estática

Por lo tanto

Es por mucho menor a la carga permisible.

69

Propuesta de instalación Figura 39.

Figura 39 Propuesta de instalación

70

7. Propuesta de medición de variables y obtención de datos.

La importancia de recabar información real acerca de los consumos y ahorros

posibles, recae en el valor de esa información que es obtenida de primera mano

para evaluar los impactos y analizar sus efectos.

Definición de variables.

Se deben elegir las variables a medir como variables de decisión, naturalmente el

volumen de gas LP en lt es una de ellas; el volumen de agua calentado en lt, la

radiación solar en W/m2.

Para medir el volumen de gas LP consumido después de instalar el sistema solar

térmico se propone un rotámetro convencional como el usado para estimar el

consumo en un inmueble. Debido a que el rotámetro mide en m3 se deben hacer

las conversiones pertinentes de acuerdo a la densidad del gas.

El rotámetro se ubicaría en la alimentación del calentador convencional o boiler tal

como se muestra en la Figura 40

Figura 40 Ubicación del rotámetro o medidor de consumo de gas LP

Está provisto de un juego de válvulas o by pass de simple operación para medir o

dejar fluir sin interrupción del suministro de gas LP.

La medición de agua calentada se puede estimar suponiendo que la cantidad de

agua que entra es igual a la que sale por lo tanto se podría colocar un rotámetro

en la alimentación de agua fría al sistema o por medio de un controlador STECA

habilitado para este fin.

La radiación disponible puede ser fácilmente obtenida de un watorímetro

conectado a un power loggic o memoria y controlador.

71

8. Evaluación de Ahorros.

Los ahorros estimados mensuales o anuales se pueden calcular partiendo del

aporte energético del sistema solar

) *

Para el cálculo fino de la amortización de la inversión se debe considerar la

tasa de interés i=% de incremento anual en el costo del combustible. Este dato

podría obtenerse del balance nacional de energía.

72

9. Conclusiones.

Determinación de necesidades de calentamiento:

Se propone un método para determinar o calcular con la precisión suficiente las necesidades térmicas del usuario de agua caliente así como la cantidad o volumen requerido.

Se caracterizan los niveles de: presión (kgf/cm2), temperatura requerida en la utilización y en el depósito (°C).

Se propone una matriz de selección de usuario (Cuadro 1), que busca clasificarlo con un código de usuario característico.

Al analizar las variables y los distintos tipos de usuario, se logra cruzando los elementos de decisión o tipología, proponer una matriz de 21 posibles usuarios tipo (Cuadro 1).

La manera de abordar esta matriz de selección es:

1º Establecer la temperatura de aplicación requerida para la aplicación, si

coincide con la de alguno de los parámetros o es muy próxima, se fija el

renglón sobre el cual habrá de moverse;

2º Se verifica o establece el nivel de la presión de operación a la cual opera el

sistema. De no ser así se procede a conocer el tamaño, el cual indicará la

presión de operación a la cual operará el sistema (para una implantación a

considerar en el anteproyecto).

3º Sí se conoce ya la presión de trabajo solo basta ubicar el tamaño del

sistema.

También se describe el régimen de consumo horario día promedio para determinar si se trata de un sistema puntual o continuo ya que esto impacta en el diseño.

73

Cuadro 1. Matriz lógica de clasificación del usuario

Parámetro Aplicación

Có

dig

o t

ipo

lóg

ico

de u

su

ari

o Para Sistemas

Temperatura

(°C)

Presión de trabajo

(kgf/cm2), manométrica

Tamaño (uso de

agua litros al

día)

baja

2

2-

28

media

4

0-5

5

alta 70 -

90

baja

0.2

-1

(gra

vedad ó

lín

ea)

media

1-3

(bom

beo,

pre

surizadora

)

alta 3-6

(hid

ro)

pequeño <

300

media

no <

5000

gra

nde >

5000

Uso en fosas de clavados 24°C A ☺

☺

☺

Uso en albercas 27°C

B ☺

☺

☺

C ☺

☺

☺

D ☺

☺

☺

E ☺

☺

☺

Uso doméstico regaderas 42°C

F

☺

☺

☺

G

☺

☺

☺

Centros deportivos duchas 36-45°C

H

☺

☺

☺

I

☺

☺

☺

J

☺

☺

☺

K

☺

☺

☺

Uso sanitario media temperatura carga

volumen grande 42-45°C

L

☺

☺

☺

M

☺

☺

☺

N

☺

☺

☺

Ñ

☺

☺

☺

Procesos industriales 70-90°C

O

☺ ☺

☺

P

☺

☺

☺

Q

☺

☺

☺

R

☺

☺

☺

S

☺

☺

☺

T

74

Principales tecnologías termosolares comerciales:

Se evalúan y describen las principales tecnologías termosolares para el calentamiento de agua disponibles en el mercado mexicano. Se caracterizan en intervalos de aplicación para los tres principales tipos de tecnología (polipropileno, plano y tubos evacuados), en función de la temperatura de operación (°C), presión de operación (kgf/cm2) y volúmenes tipo (lt). Del estudio anterior surge una matriz lógica de selección de tecnología (Cuadro 2).

Considera de cada tecnología su vida útil, experiencia y eficiencia de conversión.

Ésta matriz califica o evalúa de forma general los intervalos de aplicación que a

cada tecnología se le atribuyen. Nos ofrece un comparativo entre las tecnologías.

Para la aplicación de esta matriz se procede de la siguiente manera:

1. Se ubica la temperatura de aplicación o la requerida en el primer

renglón de las variables, se procede a identificar el tipo de tecnología

útil en las columnas.

2. Una vez seleccionada la tecnología se recorre hacia abajo sobre la

columna para saber si la tecnología tolera la presión de operación, si es

así se sigue hacia abajo para saber si entrega en los volúmenes

necesarios.

3. Si cumple se procede a calificar la experiencia, durabilidad y eficiencia.

Por ejemplo, el colector solar de polipropileno se recomienda para sistemas a

temperatura baja, presión media y alta, de tamaño mediano y grande. Se

considera que para ésta aplicación tiene experiencia amplia de durabilidad media

y eficiencia térmica global alta.

No se debe pasar por alto que aunque cada una de las tecnologías es aplicable a

las temperaturas inferiores a su aplicación fue diseñada para operar en los

intervalos descritos.

Cabe destacar que pueden existir excepciones al tipo de aplicaciones

presentadas, no obstante se presenta como recomendación para la selección de

la tecnología adecuada.

75

Cuadro 2. Matriz de evaluación de las tecnologías.

Variables

Tecnologías

Colector solar de

polipropileno

Colector solar de

placa plana

Colector solar de tubos

evacuados directo

Colector solar de tubos

evacuados tipo Heat Pipe

Temperatura (°C)

baja (22-28) ☺ ☺

media (40-55)

☺ ☺ ☺

alta (70-90)

☺ ☺

Presión de trabajo

(kgf/cm2)

baja (0.2-1)

☺ ☺

media (1-3) ☺ ☺ ☺ alta (3-6) ☺ ☺ ☺

Tamaño (lt/día)

pequeño (<300)

☺ ☺ ☺ mediano

(>300< 5000) ☺ ☺ ☺ grande (>5000) ☺ ☺ ☺

Experiencia

incipiente ☺

regular ☺ amplia ☺ ☺

Durabilidad (años)

corta (<5)

☺

media (≥ 5 ≤ 10) ☺ ☺

larga (> 10 ≤ 20)

☺

Eficiencia η %

baja (30-40 %)

☺ ☺ media

(40-60 %) ☺

alta (65-80 %) ☺

76

Selección de la tecnología termosolar acorde al usuario:

Al combinar los resultados de la matriz lógica de clasificación del usuario (Cuadro

1) y la matriz de evaluación de las tecnologías (Cuadro 2), se obtiene la matriz de

selección de la tecnología de acuerdo al usuario. Pretende asignar a cada usuario

resultante de la clasificación la recomendación adecuada.

Ahora bien las variables de aceptabilidad de la tecnología se mantienen para

poder romper empates o habilitar la decisión correcta entre dos tecnologías

(Cuadro 3). La manera de leer esta matriz es:

La manera de leer esta matriz es:

1. Una vez clasificado el tipo de usuario se posiciona sobre el renglón

adecuado y se recorre de izquierda a derecha los tipos de tecnologías útiles

para su necesidad

2. Se observa cual tecnología ofrece las características deseadas,

3. Se analizan las características aplicables a su necesidad en el caso de

existir dos o más tecnologías aplicables.

Por ejemplo para los usuarios de la A ala E se tiene dos tipos de tecnologías

útiles el colector de polipropileno y el de placa plana; la decisión se realiza

comparando en primer lugar la experiencia que tiene la tecnología sobre esa

aplicación en este caso las dos tienen experiencia amplia, se procede a

observar su durabilidad en este caso el de placa plana tiene una vida útil

mayor, se debe revisar también la columna correspondiente a la eficiencia

térmica global y en este caso resulta más eficiente el de polipropileno. De esta

manera se puede decidir entre la tecnología que presenta mayor eficiencia

térmica global lo que significaría menor área de captación o la de mayor vida

útil sin olvidar que ésta representa un mayor costo de inversión.

77

Cuadro 5. Matriz de selección de tecnología de acuerdo con el usuario.

ExperienciaDurabilidad

(años)

Eficiencia η

%Experiencia

Durabilidad

(años)Eficiencia η % Experiencia

Durabilidad

(años)Eficiencia η % Experiencia

Durabilidad

(años)

Eficiencia η

%

A, B, C, D, E

F

G, H, I, J, K, L, M, N, Ñ

O

P, Q, R, S

ExperienciaDurabilidad

(años)

Eficiencia η

%

incipiente corta (<5)baja

(30-40 %)

regularmedia

(≥ 5 ≤ 10)

media

(40-60 %)

amplíalarga

(> 10 ≤ 20)

alta

(65-80 %)

Código

Matriz de selección de

tecnología de acuerdo al

usuario

Tipo de tecnología

Tipo de usuario

Colector solar de polipropileno Colector solar de placa planaColector solar de tubos evacuados

directo

Colector solar de tubos evacuados tipo

Heat Pipe

78

Metodología para el diseño, selección y dimensionamiento de un sistema de calentamiento solar para abastecer las necesidades de agua caliente de la UAMI, extrapolable a instalaciones similares.

La propuesta de metodológica se resume en 5 apartados:

a) Determinación de las Necesidades.

Para determinar las necesidades se procede y usan los resultados de la matriz lógica de clasificación del usuario (Cuadro 1).

b) Selección de las Tecnologías.

Para seleccionar la tecnología adecuada se procede y usan los resultados de la matriz de evaluación de las tecnologías y de selección acuerdo al usuario (Cuadro 2) y (Cuadro 3)

c) Evaluación del Recurso Solar.

Se evalúa el potencial solar en la localidad de la instalación y requiere como datos de entrada las coordenadas geográficas del lugar, latitud y longitud. Con la ayuda del programa RADII se estima de manera simple, rápida y practica la energía disponible por unidad de área (MJ/m2 o W/m2) sobre una superficie inclinada u horizontal orientada hacia el sur.

d) Dimensionamiento.

Se hace la evaluación de la demanda energética que proviene de los datos resultado de la caracterización de la necesidad, se calcula el potencial solar. A continuación, se define el tamaño del sistema; se usan como entradas el tipo de tecnología resultado de la segunda matriz de selección con una eficiencia de conversión acorde a la tecnología, considerando la disponibilidad del recurso solar esto permitirá calcular la superficie necesaria para suministrar al 100% la demanda energética. Si es muy alta o no se cuenta con suficiente área disponible, esta variable limitará el porcentaje de aporte. Dividiendo el área calculada entre el área de captación estándar o modular de la tecnología seleccionada se obtiene el área estandarizada de captación o número de módulos. De la primera sección se sabe si se trata de un sistema continuo o puntual, junto con el número de módulos se calcula la dimensión del tanque de almacenamiento.

e) Evaluación de los Ahorros.

A partir del porcentaje de aporte por medio solar para calentar agua, se obtiene su equivalencia energética en pesos y se desarrolla una proyección mensual.

Para validar la metodología desarrollada, se seleccionó e instaló un Sistema Solar

de Calentamiento de Agua (SSCA), para suministrar agua caliente a las duchas

del vestidor de hombres. Este proyecto también forma parte del Programa hacia la

sustentabilidad de la UAM-I, cuyo objetivo es lograr un campus sostenible.

79

APLICACIÓN AL SISTEMA SOLAR DE CALENTAMIENTO DE AGUA DE LA

UAM-I (SSCA).

Siguiendo la metodología propuesta se procedió a la determinación de las características y el tipo de sistema a emplear para la necesidad planteada (Figura 2).

a) Determinación de los requerimientos.

Temperatura de aplicación para duchas en centros deportivos: se

recomienda sea de 45°C.

Presión de operación; está regida por la infraestructura del lugar. En la

UAM-I se cuenta con un sistema hidroneumático con presión de arranque

de 4.5 kgf/cm2.

Gasto volumétrico diario: cada ducha emplea en promedio 45 litros de

agua a 45°C, 150 usuarios.

Régimen de consumo, aunque se tiene períodos horarios con mayor

demanda el uso del agua caliente se da a lo largo del día, por esto se

considera como continuo.

b) Clasificación del usuario:

El usuario es tipo J. (Cuadro 1).

c) Selección de la tecnología La tecnología más acorde el colector solar de placa plana (Cuadro 2).

d) Evaluación del recurso solar

El valor de la irradiación promedio anual sobre una superficie inclinada y orientada hacia el sur, para la azotea del gimnasio de actividades deportivas de la UAMI es de alrededor de 5kWh/m2día. La inclinación debe ser de 19.4°.

e) Área de captación

40 colectores de 2 m2 cada uno de tubo y aleta de cobre con superficie selectiva marca Módulo Solar HiperTinox (Figura 3). Bomba de recirculación

f) Almacenamiento

Dos tanques horizontales de almacenamiento de agua caliente de 2,500 litros cada uno a una presión de trabajo de 4 kg/cm2, de acero al carbón aislante térmico.

g) Control y accesorios

El agua circula por el sistema mediante una bomba Grundfos de 1/6 de HP. La instalación es controlada y monitoreada con un sistema automatizado marca Steca modelo TR-0603.

80

El SSCA abastece de agua caliente a 150 usuarios promedio diariamente. Está

constituido por 40 colectores solares planos de tubo y aleta de cobre con

superficie selectiva, 2 tanques de almacenamiento de agua caliente para un total

de 5,000 litros, sistemas de control y monitoreo. El sistema inició su operación en

mayo de 2010. El ahorro logrado de gas es del 85-90% al año. El SSCA también

funciona como laboratorio en condiciones reales para la capacitación de

estudiantes de ingeniería en energía y la promoción de esta tecnología ante la

comunidad universitaria.

10. Referencias y Bibliografía.

Textos y publicaciones

1. DUFFIE, JOHN A.; BECKMAN, WILLIAM A.; Solar engineering of termal processes; 2ª Ed., Edit. Wiley, New York, 1991

2. HIMMELBLAU, D., EDGAR T.; & LASDON, L.; Optimization of chemical processes; 2ª Ed., McGraw Hill, New York,

3. GONZALEZ, GALARZA, RAUL; JIMENEZ, GRAJALES HUMBERTO. Sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica, Notas: Curso de diplomado para ingenieros de CFE distribución; 1ª Ed., Universidad Autónoma Metropolitana, México D.F., 27 Abril 2007, 2-6 pp.

4. M.I. ALBERTO VALDÉS. Curso taller calentamiento solar; 1ª Ed. en Esp., Universidad Autónoma Metropolitana-PRO COBRE-COPPER INTERNATIONAL L.T.D., México D.F., México D.F., Julio 2007

5. VÁZQUEZ, MARTÍNEZ, OSCAR ALEJANDRO; DEL VALLE, CÁRDENAS, BEATRÍZ; LINARES, LINO, MOISES; LÓPEZ, SALDIVAR, FRANCISCO JAVIER. Manual de instalaciones para el calentamiento de agua mediante el aprovechamiento de la energía solar; 1ª Ed., Gobierno del D.F.-USAID-SECRETARIA DEL MEDIO AMBIENTE , México D.F., Julio 2008

6. AMBRIZ, GARCÍA, JUAN JOSÉ; ARROYO, ARRONA, BENJAMIN ISRAEL;TORRES, PIOQUINTO, IRENE; Estudios de las tecnologías limpias en una universidad pública: uso de colectores solares en la Universidad Autónoma Metropolitana unidad Iztapalapa; Universidad Autónoma Metropolitana-SEMARNAT(Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales)-INE (Instituto Nacional de Ecología), México D.F., Septiembre 2009

7. MUHLIA, V, AGUSTÍN; CURSO DE SOLARIMETRÍA; XXXIII Semana nacional de energía solar, Guadalajara Jalisco México, Septiembre 2009

81

Normas:

NORMEX. Energía solar-definiciones y terminología-2006. PROY-NMX-ES-002-NORMEX-2006. Proyecto de Norma. Naucalpan de Juárez Estado de México. NORMA Oficial Mexicana Eficiencia térmica de calentadores de agua para uso doméstico y comercial. Límites, método de prueba y etiquetado. NOM-003-ENER-2000, México D.F. DIARIO OFICIAL Viernes 1 de septiembre de 2000 (Esta Norma Oficial Mexicana cancela y sustituye a la NOM-003-ENER-1995).

NORMEX. Energía solar-rendimiento térmico y funcionalidad de colectores solares para calentamiento de agua-métodos de prueba y etiquetado-2005. NMX-ES-001-NORMEX-2005.

La presente Norma Mexicana fue elaborada por el Subcomité de Calentadores Solares; del Comité Técnico de Normalización Nacional para Energía Solar, NESO-13, coordinado por la Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación S.C. 14 de Octubre de 2005 Naucalpan de Juárez Estado de México.

Imágenes de Sitios Web:

Figura 2. Instalación de colectores solares de plástico (http:/www.sitiosolar.com/Albercas.htm.) (http://www.becquerelenergia.es/termica.html) Figura 8.;10 (www.sitiosolar.com) Figura 9. Captación de tubos evacuados de bulbo caliente (www.scribd.com) Figura 12. Tubo evacuado con heat pipe.

(Referencia http://www.onyxsolar.compaginasth.asp)

Figura 14. Esquema de tubo evacuado con heat pipe.

(Referencia http://www.thermosol.com.mx) Figura 15. Sistema autocontenido con cabezal dentro.

(ORLED; www.infoaserca.gob.mx/claridades/revistas/170/ca170.pdf) Figura 16. Sistema autocontenido con cabezal fuera (www.modulosolar.com.mx). Figura 17. Sistema centralizado con acumulación. (ORLED; www.infoaserca.gob.mx/claridades/revistas/170/ca170.pdf) Figura 18. Espectro de Radiación Electromagnética (es.wikipedia.org). Figura 24.; 25. Latitud Geográfica. (http://www.escolar.com/avanzado/geografia008.htm) Figura 26 a) trayectoria solar; Figura 26 b) Esfera celeste. (www.absoluterprotecsol.com)