construcciÓn y optimizaciÓn de un mÓdulo solar ... · 1.1 colector base del mÓdulo solar...
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTOBAL DE HUAMANGA
(Segunda Universidad Fundada en el Perú)
CONSTRUCCIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE UN
MÓDULO SOLAR MULTIPROPÓSITO PARA
AYACUCHO
JANAMPA QUISPE, Kléber - klé[email protected]
CERÓN BALBOA, Octavio
CORTEZ LEDESMA, Nicolás Eusebio
ORÉ GARCÍA, Julio
MORALES MORALES, Oswaldo
CONSTRUCCIÓN Y OPTIMIZACIÓN
DE UN MÓDULO SOLAR MULTIPROPÓSITO
PARA AYACUCHO
PRIMERA EDICIÓN DIGITAL
Julio, 2011
Lima - Perú
© Janampa Quispe Kleber
Ceron Balboa Octavio
Cortéz Ledesma Nicolás Eusebio
Ore García Julio
Morales Morales Oswaldo PROYECTO LIBRO DIGITAL
PLD 0199
Editor: Víctor López Guzmán
http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú
PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.
Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.
Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.
Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• El pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos
de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.
En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.
Lima - Perú, enero del 2011
“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor
IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía
Solar (XVII- SPES), Cusco, 1 -5.11.2010
“CONSTRUCCIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE UN MÓDULO SOLAR MULTIPROPÓSITO PARA AYACUCHO”
JANAMPA QUISPE, Kléber - klé[email protected]
CERÓN BALBOA, Octavio - [email protected] CORTEZ LEDESMA, Nicolás Eusebio - [email protected]
ORÉ GARCÍA, Julio- [email protected] MORALES MORALES, Oswaldo - [email protected]
Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga, Departamento Académico de Matemática y Física
2 Conversión Térmica de la Energía Solar
RESUMEN
Las aplicaciones de la energía solar térmica y fotovoltaica es una tecnología
madura, limpia, alternativa y respetuosa con el medio ambiente. En nuestra
ciudad de Ayacucho, no obstante su potencial, hay una escasa cantidad de
unidades instaladas sobre todo en el sector familiar. En este trabajo de
investigación experimental de innovación tecnológica, se diseña, optimiza y
construye un módulo solar multipropósito unifamiliar que integra las diferentes
aplicaciones solares térmicas y que acondicionando sus componentes de manera
sencilla y versátil, para el uso óptimo de la energía solar en la cocción de
alimentos, secado de productos domésticos, calentamiento y destilado de agua. El
diseño, optimización y evaluación se basa en el protocolo del CYTED- RICSA sobre
el principio de tecnologías apropiadas y ambientalmente responsables. Se ha
logrado dimensionar y construir un módulo con temperatura de estancamiento de
placa de 174ºC, coeficiente global de pérdidas de 9.9 W/moC, potencia estándar
de cocción de alimentos de 87W para una diferencia de temperatura de placa y el
medio de 50ºC y una eficiencia como destilador del 20%. A su vez, este módulo
permitirá ser aprovechado como parte de la difusión de la educación ambiental.
Palabras clave: secador, destilador, cocina solar
“CONSTRUCTION AND OPTIMIZATION OF A SOLAR MODULE MULTIPURPOSE FOR
AYACUCHO”
ABSTRACT
The applications of the thermal and photovoltaic solar energy are mature
technology, clean, alternative and respectful a with the environment. In our
city of Ayacucho, despite his potential, there is a little amount of units
installed mainly in the familiar sector. In this work of experimental
investigation of technological innovation, it is designed, it optimizes and it
constructs to a solar module single-family multipurpose that Integra the
different thermal solar applications and that preparing its components from
simple and versatile way, for the optimal use of the solar energy in the food
baking, domestic product drying, water heating and distillate. The design,
optimization and evaluation are based on the protocol of CYTED- RICSA on the
principle of appropriate and environmentally responsible technologies. It has
been managed to determine the proportions and to construct a module with
temperature of stagnation of plate of 174ºC, global coefficient of losses of 9,9
W/moC, standard power of food baking of 87W for a temperature difference of
plate and the means of 50ºC and an efficiency like filter of 20%. As well, this
module will allow to be profiteer like part of the diffusion of the
environmental education.
Keywords: Dried solar, distiller solar, cooking solar.
INTRODUCCIÓN
La energía es la base de toda actividad humana, por lo que debe ser utilizada con eficiencia y responsabilidad ambiental. El Centro de Conservación de Energía y del Ambiente del Perú ha realizado un diagnóstico de la situación
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actual del uso de la energía solar y eólica en el país (1); en ella se muestra que Ayacucho, siendo un departamento donde la energía solar es rentable, sin embargo existe una escasa cantidad de unidades instaladas tanto en las aplicaciones térmicas como fotovoltaicas. De esta escasa cantidad, es el sector familiar el que dispone de la menor capacidad instalada.
La tecnología solar oferta diferentes aplicaciones alternativas, pero el escaso uso de dichas aplicaciones nos muestra que la tecnología solar no es aún una tecnología apropiada por los usuarios tanto de la zona rural como de las zona urbana; más aún si la energía del Sol es económicamente rentable, viable y estable; siendo los sistemas térmicos de bajas temperaturas los que tienen corto tiempo de amortización.
Para lograr un eficiente y responsable aprovechamiento del recurso energético solar, es necesario que desde la unidades familiares se genere una nueva mentalidad, una nueva cultura de uso de las energías renovables; ello puede iniciarse a partir de tecnologías prácticas y sencillas que puedan ser apropiadas por el usuario y que incorporen a su cultura de vida; ello compromete a generar mecanismos de masificación del uso de la tecnología solar orientado dentro de los enfoques de la educación ambiental y desarrollo sostenible.
La energía del sol tiene una ventaja con respeto a otras fuentes. “Se pueden construir dispositivos solares de cualquier tamaño y por ser de tipo modular también se pueden ampliar”(2). En este sentido la mayor parte de las aplicaciones tecnológicas de la energía solar son modulares e independientes. Por lo que el usuario requerirá de varias unidades térmicas para cada aplicación. Nuestra propuesta de módulo solar multipropósito familiar, se caracteriza por integrar las diferentes aplicaciones térmicas como cocina, secador, terma y destilador sobre la base de un colector plano en la que se podrán adaptarse de modo sencillo y versátil las diferentes aplicaciones, para uso doméstico unifamiliar.
MATERIALES Y MÉTODOS
1. MÉTODO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MÓDULO SOLAR MULTIPROPÓSITO
Se desarrolla sobre el principio de las tecnologías apropiadas al contexto socio cultural y ambiental, teniendo en cuenta las condiciones meteorológicas de la ciudad de Ayacucho, sobre la base condiciones mínimas de radiación, temperatura y humedad, siguiendo el procedimiento:
Diseño de las unidades operativas del módulo. Construcción y acondicionamiento de las unidades operativas al módulo Optimización y evaluación del módulo multipropósito en base a los protocolos de RICSA-CYTED y del
RIASEF 2. MATERIALES E INSTRUMENTOS Materiales:
Vidrio simple Triplay de 1.5 cm de espesor Plancha de tecnopor y poliuretano Placa metálica de hierro de 2mm de espesor Accesorios y herramientas Plancha de aluminio anonizado
Instrumentos Radiómetro :UNI-100mV 1000W/m2. Lectura mínima multímetro:10 W/m2 Termocuplas: Cobre – Konstantan. Lectura mínima en el multímetro: 1 oC Anemómetro: De copas giratorias. Lectura mínima 0.5 m/s. Multímetro Digital. DT 9508
RESULTADOS
1. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN 1.1 COLECTOR BASE DEL MÓDULO SOLAR MULTIPROPÓSITO (MSM)
Integrando el requerimiento energético y geométrico de cada componente del módulo solar multipropósito, se determina la geometría que optimice el uso doméstico de las aplicaciones térmicas como horno, secador, destilador y terma solar. Componentes:
Caja: Constituido por tripley de 15mm. de espesor. Placa absorbedor de radiación solar: Placa de hierro de 1mm de espesor recubierto de una pintura negro mate no reflectante de 59x 50cm. Sistema de aislamiento del colector: cubierta de 1.3cm de poliuretano y la caja de tripley. El aislante se reviste con aluminio anonizado de 0.3mm de espesor que su vez funciona como reflector interno. Puerta: En la parte superior dispone de una puerta deslizable que se adapta para el caso de secador como un tiro del aire caliente de salida. Cubierta de vidrio: En la parte superior lleva una cubierta de doble capa de vidrio SIMPLE (policarbonato transparente) de 3mm de espesor. La separación entre los vidrios es de 1.3mm
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Figura1. Dimensiones externas de la caja del módulo
Acabado final
Figura 2. Acabado del MSM
2. EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE TERMICOS DEL MODULO SOLAR MULTIPROPÓSITO.
2.1 EVALUACION TÉMICA DEL COLECTOR BASE DEL MODULO 2.1.1 MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA MÁXIMA SIN CARGA Y OBTENCIÓN DEL PRIMER
FACTOR DE MÉRITO F1
El primer factor de mérito, establece la relación entre la eficiencia óptica del colector base y las pérdidas al exterior desde la placa, dicho factor ha sido evaluado sin reorientación de colector hacia la posición del sol. Es importante destacar que una alta eficiencia óptica y un valor bajo de pérdida de calor es deseado.
54cm 64cm
66,5cm
58cm
35,5cm
21cm
13º
68cm
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Variación de la temperatura del agua
0
20
40
60
80
100
120
10:00 11:12 12:24 13:36 14:48 16:00 17:12 18:24 19:36Hora
T(o
C)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
G(w
/m2)
Calentamiento
Radiación
Temperatura de placa
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48
t(minutos)
T(o
C)
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Tem.Placa
Temper. Ambiente
Radiacion Solar Figura 3. Temperatura de calentamiento y enfriamiento de la placa del colector base 11/03/2010
Se observa que la temperatura de la placa alcanza un valor de 173oC, y permanece estacionaria para una intensidad
de radiación solar de 774 W/m2.
Tabla 1. Primer factor de mérito F1 del colector base del módulo
Fecha 11/03/2010
Aph (m2) 0.54
Ap (m2) 0.31
Tp (o C) 173
Ta (oC) 28
Gh (w/m2) 758
F1 0.111 Error 0.001
2.2 EVALUACION TÉRMICA DE LA COCINA SOLAR 2.2.1 SEGUNDO FACTOR DE MERITO F2
Se toma en cuenta el tiempo requerido por el agua para alcanzar la temperatura de 80oC a partir de 40ºC.
Figura 4 - Temperatura de calentamiento del 3lit. de agua en la cocina solar 13/03/2010
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Título del gráfico
y = -2.3374x + 204.03
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
0 10 20 30 40 50 60
T-Tamb (oC)
Ps(W
)
Potencia estándar
Lineal (Potencia estándar)
Tabla 2. Características del calentamiento del agua en la cocina solar
Fecha:13 de marzo del 2010
Rango de temperaturas exteriores durante el ensayo 21 oC - 33
o C
Rango de Radiación solar durante el ensayo 435-822 W/m2
Rango de velocidades de viento durante el ensayo 0-2m/s
Temperatura de comienzo 19 o C
Tiempo en alcanzar los 80 oC 120 minutos
Tiempo en alcanzar los 90 oC 145 minutos
Temperatura máxima 98 oC
Tiempo que mantiene la temperatura de ebullición 50 minutos
Tiempo que mantiene los 80 oC sin intervención 90 a 120 minutos
Potencia para la diferencia de 50 oC 87.16 W
Tabla 3 Determinación del segundo factor de mérito de la cocina solar
F1 0.111
(MC)w 12558
T (s) 4200
Tw1(oC) 40
Tw2(oC) 79
Ta(oC) 28.2
Ap(m2) 0.312
Aph(m2) 0.536
Ih(W/m2) 703.04
F2 0.41
2.2.2 POTENCIA DE COCCIÓN EFECTIVA
Se determina la potencia de calentamiento de agua para cada intervalo de 10 minutos. Dicha potencia se estandariza (Ps) de acuerdo al protocolo RICSA para una radiación de 700w/m2.
Figura 5 - Potencia estándar de cocción de la cocina solar en el módulo multipropósito en relación a la diferencia de temperatura del agua y del medio ambiente
2.3 EVALUACION TÉRMICA DEL SECADOR SOLAR
La temperatura de calentamiento del aire a la salida de la cámara de secado es de 74 oC para una radiación solar promedio 960 W/m2de y temperatura ambiente de 31oC y velocidad de viento de 08m/s
Potencia estándar de cocción
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Calentamiento del aire del secador
0
20
40
60
80
100
12:57 13:12 13:26 13:40 13:55
Hr
T (
oC
) T de entrada del aire
T de salida del aire
T ambiente
Destilador solar
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10:04 11:16 12:28 13:40
Hr
T (
o C
)
T superficie del líquido
T de placa
T ambiente
Figura 6 - Curva de calentamiento del aire de la cabina del secador sin carga
Figura 7 - Medida de la temperatura del aire de entrada a la cámara de secado. Módulo solar multipropósito secado plátano como muestra se su funcionamiento
2.4 EVALUACION TÉRMICA DEL DESTILADOR SOLAR
Se coloca 3 litros de agua turbia en una bandeja de 33x50.5cm2 con 1.5cm de profundidad. Al cabo de 1h inicia el proceso de destilación y condensación. En 6.5h se logra destilar 0.775lit de agua. La eficiencia del destilador merece mejorar aún, pues los rangos establecidos están entre 30 y 40% (2)3
Figura 8 - Curva del calentamiento del agua en la superficie de la bandeja de agua y en la placa colectora
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Figura 9 - Colección del agua destilada en un recipiente
3. DESARROLLO DE ILUMINACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA CON LED 3.1 CONSTRUCCIÓN DE LÁMPARA-1
Para la lámpara-1, se usaron 24 LED’s dispuestos en 8 series en paralelo de 3 diodos cada una (8x3=24). En este
sistema la máxima intensidad es de 20mA por LED (consumo total de 20x8=160mA) y el voltaje de 12V suministrado por la batería.
El control es realizado por el integrado (LM334), que es capaz de regular la intensidad que atraviesa los LEDs. El transistor PNP (BD136) únicamente aumenta la intensidad que puede suministrar el integrado. Variando la resistencia, mediante el conmutador, se modifica la intensidad y por tanto la luz que suministran los LEDs.
Figura 10 - Lámpara-1 terminada y en funcionamiento.
3.2 CONSTRUCCIÓN DE LÁMPARA-2 Para la lámpara-2, se usaron 12 LED’s dispuestos en 4 series en paralelo de 3 diodos cada una (4x3=12). En este
sistema la máxima intensidad es de 25mA por LED (consumo total de 25x4=100mA) y el voltaje de 12V suministrado por la batería.
Figura 11- Lámpara-2 terminada y en funcionamiento.
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DISCUSIÓN
El principio del diseño del Módulo Solar Multipropósito(MSM) se centra en la tendencia de las Tecnologías Social y Ambientalmente Apropiadas (3) que toma en cuenta modelos sencillos mediante el uso de materiales disponibles de la zona y en concordancia con el contexto sociocultural (4). Toda aplicación de la energía solar requiere de un colector que capta la energía solar y convierte en energía útil térmica o eléctrica(5). En el diseño del MSM, se integra las diferentes aplicaciones solares térmicas sobre la base de un colector solar plano, que tiene la versatilidad de adaptar el requerimiento de los diferentes componentes térmicos para su uso óptimo como secador, destilador, terma y cocina/horno solar.
La temperatura de estancamiento de la placa colectora de área 0.31m2 del MSM fue de 174ºC para una radiación promedio de 774 W/m2, el factor F1 que caracteriza la eficiencia óptica del colector base y las pérdidas al exterior desde la placa del módulo es de 0.11
que caracteriza 0.001, valor que está comprendido dentro de los rangos adecuados establecidos
por la propuesta de Mullick (6) MSM- Destilador
La radiación solar es una técnica potencial para la inactivación y destrucción de bacterias patógenas en el agua por calentamiento (7). El MSM, se adapta como destilador solar elevando la placa colectora sobre la que estará la bandeja de agua a destilar lo más próximo a la cubierta de vidrio, el agua destilada se recoge a través de una canaleta.
El MSM-destilador, inicia el proceso de evaporación-condensación luego de 1 hora, proceso que continúa a una intensidad de la radiación solar promedio de 690 W/m2 donde la temperatura del agua alcanza valores entre 59 y 85ºC. Temperatura que garantiza la desinfección del agua, pues la mayoría de las bacterias mueren entre 40 y 100ºC, mientras que las algas, protozoarios y hongos, lo hacen entre los 40 y los 60 ºC (7). Igualmente el nivel de seguridad en desinfección es apropiado puesto que el agua ha permanecido a una temperatura promedio de 76º C durante aproximadamente 4 a 5 horas, como exige la OMS (7) . La eficiencia de destilación fue del 20%, de 2.5 litros de agua generó 0.775 litros de agua destilada para un área de colector de 0.31 m2
MSM- Cocina solar
La cocina solar del MSM, presenta una potencia media estándar de 87 W a la temperatura diferencia de temperatura de 50oC , un Segundo Factor de Mérito F2 de 0.41 que nos indica la capacidad de transferencia de calor del colector hacia el agua corresponde al 41% y un coeficiente global de pérdidas de 9.0 W/m2oC, lo que nos indica que presenta una rapidez de pérdida de energía térmica de 9W por m2 y grado centígrado de diferencia de temperatura entre la placa y el medio ambiente. MSM- Secador
El secador del MSM, es un secador pasivo de cabina, como sistema pasivo utiliza la circulación natural del aire y dispone de un captador solar de placa plana. Sin carga, la temperatura del aire alcanza 74ºC manteniendo una diferencia de 40º C respecto a la temperatura de entrada del aire, valor óptimo requerido para secado (8). De acuerdo a S. Nadwani (9) cuando la temperatura del gabinete de un secador alcanza valores entre 50 y 70ºC en ella se pueden secar casi todos los productos a baja escala, es decir para un uso doméstico, como es la orientación del MSM. En lo referente a la iluminación fotovoltaica mediante LEDs, se ha desarrollado modelo de lámparas para diferentes configuraciones sobre la base de un voltaje de 12V DC generado por un sistema fotovoltaico.
CONCLUSIONES 1. El MSM es un módulo que integra, sobre la base de un colector solar plano, el uso independiente de un
destilador, secador, terma y cocina solar, orientado como una iniciativa ambientalmente responsables, dentro del concepto de tecnologías apropiadas.
2. El MSM tiene el colector solar plano de área 0.31m2 y alcanza una temperatura de estancamiento de placa de 174ºC, para una radiación promedio de 774 W/m2; el primer factor de mérito F1 resulta 0.11.
3. En el MSM- Destilador, el agua de profundidad 1.5cm alcanza temperaturas del orden de 60 a 85º C para una radiación solar promedio 690 W/m2. La eficiencia media del destilador es de 20%, logrando destilar aproximadamente 0.75 litros por día para un área del colector 0.31 m2.
4. El MSM- Cocina solar, presenta una potencia media estándar de cocción de 87 W para una diferencia de temperatura de 50º C. El segundo factor de mérito F2 de 0.41 y un coeficiente global de pérdidas de 9.0 W/m2oC. Mantiene por más de 2horas la temperatura de agua más allá de 80ºC sin intervención de la radiación solar.
5. El MSM- secador, es un secador pasivo de cabina con colector solar plano. Sin carga, la temperatura del aire a la salida de la cabina alcanza 74ºC, en este rango de temperaturas se pude secar casi todos los productos a baja escala.
6. El sistema de iluminación fotovoltaica mediante LEDs es una posibilidad de iluminación, puesto que los LEDs consumen baja energía y existe una variedad de aplicaciones a las que se puede orientar.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) CENTRO DE CONSERVACION DE ENERGIA Y DEL AMBIENTE (CERNERGIA). (2003) Diagnóstico de la situación actual del uso de la energía solar y eólica en el Perú.
(2) HERMOSILLO, J.J. (1995) Energía Solar. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente. México. (3) SERRANO, P (2004).Transferencia de tecnologías para energías renovables. Conceptos y modelos
metodológicos. Seminario Internacional Sobre Energía Solar Medio Ambiente y Desarrollo. Cuzco. (4) CEUTA – Centro Uruguayo de Tecnologías Apropiadas. (2007).Energías Apropiadas. Energía Solar 2007 (5) NANDWANI, S.S (2005) Energía solar conceptos básicos y su utilización. Universidad Nacional Heredia. Costa
Rica (6) FRÍAS, R. A.(2003) Metodologías de análisis térmico de sistemas de cocción solar tipo horno. Universidad de
Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Mecánica.” (7) DE LA CRUZ, I.J. (2004) Desinfección de Agua Potable con Radiación Solar. Universidad de las Américas
Puebla. Tesis Doctoral. (8) MONTERO, I. (2005) Modelado y construcción de un secador solar híbrido para residuos biomásicos. Tesis
doctoral Badajoz, Noviembre (9) NANDWANI, S. (2006). Energía solar y sus aplicaciones. Universidad Earth, Guácimo, Limón, Costa Rica.
RESUMEN
En este trabajo se diseña, optimiza y
construye un módulo solar multipropósito
unifamiliar que integra las diferentes
aplicaciones solares térmicas y que
acondicionando sus componentes de manera
sencilla y versátil, permiten el uso óptimo
de la energía solar en la cocción de
alimentos, secado de productos domésticos
y destilado de agua.
Características:
temperatura de estancamiento de placa de 174ºC
coeficiente global de pérdidas de 9,9 W/mºC,
potencia estándar de cocción de alimentos de 87W
para una diferencia de temperatura de placa y el
medio de 50ºC
eficiencia como destilador del 20%
El módulo es también un material didáctico para la
educación ambiental.
INTRODUCCIÓN• Para lograr un eficiente y responsable aprovechamiento del
recurso energético solar, es necesario que desde la unidadesfamiliares se genere una nueva mentalidad, una nueva cultura deuso de las energías renovables; ello puede iniciarse a partir detecnologías prácticas y sencillas que puedan ser apropiadas por elusuario y que incorporen a su cultura de vida.
• La energía del sol tiene una ventaja con respeto a otras fuentes.“Se pueden construir dispositivos solares de cualquier tamaño ypor ser de tipo modular también se pueden ampliar”(2). En estesentido la mayor parte de las aplicaciones tecnológicas de laenergía solar son modulares e independientes. Nuestra propuestade módulo solar multipropósito familiar, se caracteriza porintegrar las diferentes aplicaciones térmicas sobre la base de uncolector plano en la que se podrán adaptarse de modo sencillo yversátil las diferentes aplicaciones, para uso domésticounifamiliar.
(2) HERMOSILLO, J.J. Energía Solar. I México
MÉTODO
La base del principio de las tecnologías
apropiadas al contexto socio cultural y ambiental
son:
• Diseño de las unidades operativas del módulo.
• Construcción y acondicionamiento de las unidades
operativas al módulo
• Optimización y evaluación del módulo
multipropósito en base a los protocolos de RICSA-
CYTED y del RIASEF
RESULTADOS
Módulo solar multipropósito
1. DIMENSIONES:
54cm64cm
66,5cm
58cm
35,5cm
21cm
13º
2. EVALUACION TÉRMICA DEL COLECTOR BASE DEL
MÓDULO
MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA MÁXIMA SIN CARGA Y OBTENCIÓN DEL
PRIMER FACTOR DE MÉRITO F1
Temperatura de placa
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48
t(minutos)
T(o
C)
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Tem.Placa
Temper. Ambiente
Radiacion Solar
Primer factor de mérito F1 del colector base del módulo
3. EVALUACION TÉRMICA DE LA COCINA SOLAR
SEGUNDO FACTOR DE MERITO F2
Variación de la temperatura del agua
0
20
40
60
80
100
120
10:00 11:12 12:24 13:36 14:48 16:00 17:12 18:24 19:36Hora
T(o
C)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
G(w
/m2)
Calentamiento
Radiación
4. POTENCIA DE COCCIÓN EFECTIVA
Título del gráfico
y = -2.3374x + 204.03
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
0 10 20 30 40 50 60
T-Tamb (oC)
Ps(W
)
Potencia estándar
Lineal (Potencia estándar)
Potencia estándar de cocción
5. EVALUACIÓN TÉRMICA DEL SECADOR SOLAR
La temperatura de calentamiento del aire a la salida de la cámara desecado es de 74 oC para una radiación solar promedio 960 W/m2 de ytemperatura ambiente de 31oC y velocidad de viento de 8m/s
Calentamiento del aire del secador
0
20
40
60
80
100
12:57 13:12 13:26 13:40 13:55
Hr
T (
oC
) T de entrada del aire
T de salida del aire
T ambiente
Evaluación del módulo y uso como secador
6. EVALUACION TÉRMICA DEL DESTILADOR
SOLAR
• Se coloca 3 litros de agua turbia en una bandeja de 33x50,5cm2 con 1,5cm de
profundidad. Al cabo de 1h inicia el proceso de destilación y condensación. En 6,5h
se logra destilar 0,775 l de agua. La eficiencia del destilador merece mejorar aún,
pues los rangos establecidos están entre 30 y 40% (2)3
Destilador solar
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10:04 11:16 12:28 13:40
Hr
T (
o C
)
T superficie del líquido
T de placa
T ambiente
Uso del módulo como destilador
ANÁLISIS DE COSTOS Y BENEFICIO
Lo que se
propone.
Por qué se
propone
(ventajas y
desventajas)
CostoMonetario
de la investigación
Beneficio Qué pasa si no se hace
Diseñar, construir yoptimizar un módulode energía solarmultipropósito confines domésticos yeducativos enAyacucho
Fomenta una nuevacultura del uso de lasenergías renovables apartir de las unidadesfamiliares en la regiónAyuda al mejoramientode la calidad de vidaDa mayor conocimientode los impactos nocivosde las energíasconvencionales
S/. 10 300 Las unidades familiares en laszonas rurales, el usarían lascocina solares por tantodisminuirán el uso de la leña,con las termas a fomentar unapráctica saludable y destilar elagua disminuyendo lacontaminación.
Los beneficios en cuanto a las comunidades de la región, es que los niños de las escuelas rurales comprendan los benéficos de la tecnologías solar como energía respetuosa del medio ambiente y su conservación
Las unidades familiaresen las zonas rurales pordesconocimiento de lasutilización de estabondades naturalessiguen con lasdificultades.
Los niños desconoceríanlos beneficios de lastecnologíassolares.
CONCLUSIONES1. El principio del diseño del Módulo Solar Multipropósito(MSM) se
centra en la tendencia de las Tecnologías Social yAmbientalmente Apropiadas (3) que toma en cuenta modelossencillos mediante el uso de materiales disponibles de la zona yen concordancia con el contexto sociocultural (4).
2. En el diseño del MSM, se integra las diferentes aplicaciones solarestérmicas sobre la base de un colector solar plano, que tiene laversatilidad de adaptar el requerimiento de los diferentescomponentes térmicos.
3. La temperatura de estancamiento de la placa colectora de área0,31m2 del MSM fue de 174ºC para una radiación promedio de 774W/m2, el factor F1 que caracteriza la eficiencia óptica del colectorbase y las pérdidas al exterior desde la placa del módulo es de0,110 ± 0,001, valor que está comprendido dentro de los rangosadecuados establecidos por la propuesta de Mullick (6)
4. MSM- Destilador
Inicia el proceso de evaporación-condensación luegode 1 hora, proceso que continúa a una intensidad dela radiación solar promedio de 690 W/m2, latemperatura del agua alcanza valores entre 59 y85ºC. Temperatura que garantiza la desinfección delagua.
El nivel de seguridad en desinfección es apropiadopuesto que el agua ha permanecido a unatemperatura promedio de 76º C duranteaproximadamente 4 a 5 horas, como exige la OMS(7).
La eficiencia de destilación fue del 20%, de 2,5 litrosde agua generó 0,775 litros de agua destilada para unárea de colector de 0,31 m2
5. MSM- Cocina solar
La cocina solar del MSM, presenta una potencia media estándar de87 W a la diferencia de temperatura de 50oC, un Segundo Factorde Mérito F2 de 0,41 que nos indica la capacidad de transferenciade calor del colector hacia el agua en un 41% y un coeficienteglobal de pérdidas de 9 W/m2oC.
6. MSM- Secador
• El secador del MSM, es un secador pasivo de cabina, como sistemapasivo utiliza la circulación natural del aire y dispone de uncaptador solar de placa plana.
• Sin carga, la temperatura del aire alcanza 74ºC manteniendo unadiferencia de 40º C respecto a la temperatura de entrada del aire,valor óptimo requerido para secado (8). De acuerdo a S. Nadwani(9) cuando la temperatura del gabinete de un secador alcanzavalores entre 50 y 70ºC en ella se pueden secar casi todos losproductos a baja escala, es decir para un uso doméstico, como esla orientación del MSM.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) CENTRO DE CONSERVACION DE ENERGIA Y DEL AMBIENTE (CERNERGIA). (2003) Diagnóstico de la situación actual del uso de la energía solar y eólica en el Perú.
(2) HERMOSILLO, J.J. (1995) Energía Solar. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente. México.
(3) SERRANO, P (2004).Transferencia de tecnologías para energías renovables. Conceptos y modelos metodológicos. Seminario Internacional Sobre Energía Solar Medio Ambiente y Desarrollo. Cuzco.
(4) CEUTA – Centro Uruguayo de Tecnologías Apropiadas. (2007).Energías Apropiadas. Energía Solar 2007
(5) NANDWANI, S.S (2005) Energía solar conceptos básicos y su utilización. Universidad Nacional Heredia. Costa Rica
(6) FRÍAS, R. A.(2003) Metodologías de análisis térmico de sistemas de cocción solar tipo horno. Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Mecánica.”
(7) DE LA CRUZ, I.J. (2004) Desinfección de Agua Potable con Radiación Solar. Universidad de las Américas Puebla. Tesis Doctoral.
(8) MONTERO, I. (2005) Modelado y construcción de un secador solar híbrido para residuos biomásicos. Tesis doctoral Badajoz, Noviembre
(9) NANDWANI, S. (2006). Energía solar y sus aplicaciones. Universidad Earth, Guácimo, Limón, Costa Rica.
Aplicación• I Concurso Escolar “INGENIO SOLAR: TECNOLOGÍA SOLAR,
UNA ALTERNATIVA PARA FOMENTAR VALORES ECÓLOGICOSEN LOS ESCOLARES DE LA CIUDAD DE AYACUCHO”
GRACIAS
