instituto tecnolÓgico de la construcciÓn · 2011-09-29 · una nación dependiente de la...
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I N S T I T U T O TECNOLÓGICO
DE LA CONSTRUCCIÓN
CALEFACCIÓN DE AGUA
UTILIZANDO ENERGÍA SOLAR
T E S I S
Que para obtener el título de
INGENIERO CONSTRUCTOR
p r e s e n t a
SALVADOR C. HERNANDEZ RAMIREZ
1 9 9 9
CALEFACCIÓN DE AGUA UTILIZANDO ENERGÍA SOLAR
Í N D I C E
C a p i t u l o 1 JUSTIFICACIÓN AL DESARROLLO DE LA ENERGÍA SOLAR.
1.1 I n t roducc ión ,
1.2 Obje t ivo
C a p i t u l o 2 GENERALIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR.
2.1 El Sol , Fuente de Energ ia .
2.2 La Constante So lar
2 .3 Medición de l a Energia Solar
Capitulo 3 COLECTORES SOLARES
3.1 Funcionamiento del Colector. 2 6
3.2 Colectores Planos
3.2.1 Partes de un Colector Plano. 28
3.2.2 Diseño y Construcción de 41 Colectores Planos.
3.3 Colectores de Concentración,
3.3.1 Partes de un Colector de 52 Concentración.
3.3.2 Diseño y Construcción de 64 Colectores de Concentración.
3.4 Montaje de Colectores Planos 68 y de Concentración.
Capitulo 4 SISTEMAS DE CALEFACCIÓN DE AGUA.
4.1 Sistema Autocontenido. 73
4.2 Sistema Termosifón. 86
4.3 Calculo y Dimensionamiento del 98 Sistema.
C a p i t u l o 5 COSTO - BENEFICIO DEL SISTEMA
5 . 1 . Costo - Benef ic io de l Sistema 113 Convencional y d e l Sistema de Energía So lar
C a p i t u l o 6 CONCLUSIONES.
6 . 1 . Conclusiones 141
7 BILBIOGRAFIA 146
CAPITULO UNO
CALEFACCIÓN DE AGUA UTILIZANDO ENERGÍA SOLAR
1
JUSTIFICACIÓN DEL DESARROLLO DE LA ENERGÍA SOLAR :
1 . 1 INTRODUCCIÓN
El propósito de esta tesis es presentar la
calefacción de agua económicamente factible, utilizando
la Energía Solar, sus posibles alcances y sus
limitaciones. En el contexto que nos ocupa, la energía
solar es una de las alternativas más interesantes por
ser abundante en México.
El uso de recursos energéticos es uno de los
factores más importantes en el desarrollo tecnológico de
las naciones, los recursos energéticos son usados por el
hombre para satisfacer algunas de sus necesidades
básicas en forma de calor y trabajo.
El Calor es una necesidad básica en cualquier grupo
humano, del nivel social, económico o tecnológico que
éste sea, para producirlo, se utilizan una gran variedad
de recursos energéticos.
Los combustibles fósiles son principalmente el
petróleo y sus derivados (gasolina, diesel, turbosina,
etc.), el gas natural y el carbón mineral. Al principio
2
la explotación de estos recursos, se suponían
ilimitados, no eran económicamente indispensables y su
impacto ambiental era despreciable.
Con el crecimiento de la población mundial, junto
con el aumento en el consumo per capita de estos
recursos, sólo queda petróleo disponible para su
explotación económica durante la primera mitad del siglo
XXI.
Además debido al alto consumo de hidrocarburos se
producen alteraciones de la atmósfera a nivel mundial.
Los niveles de bióxido de carbono actualmente son
mayores que los que existían en 1950. Esto produce el
efecto invernadero, que consiste en un incremento en las
temperaturas ambiente mundiales.
Los combustibles fósiles son causantes de la lluvia
acida, esto causa en los bosques cercanos a las áreas
industrializadas grandes daños al suelo, la flora y la
fauna. En las grandes ciudades, la combinación de las
emisiones de gases de combustión, con algunos otros
fenómenos naturales, como las inversiones térmicas, la
humedad y la radiación solar produce algunos efectos
indeseables para la salud humana, como el smog, las
concentraciones de ozono y la concentración de
componentes indeseables en la atmósfera.
3
Tanto por razones económicas (escasez de
hidrocarburos) como ecológicas (alteraciones de la
atmósfera y el suelo), es imperativo el desarrollo de
nuevas alternativas energéticas, que sean menos
agresivas contra el ambiente.
La manera en que se consume el energético, tanto en
México como a nivel global, no es sustentable, debido a
que no puede mantenerse indefinidamente sin amenazar su
propia existencia.
Existen muchos tipos de energías, están clasificados
en dos grupos, La energía no renovable y la energía
renovable, algunos no han sido desarrolladas por
limitaciones técnicas y económicas, otras se han
utilizado sólo parcialmente.
A continuación se explican brevemente los tipos de
energía :
TIPOS DE ENERGÍA
FUENTES DE ENERGÍA NO RENOVABLE.
Se considera no renovable la energía que está
almacenada en cantidades inicialmente fijas. A medida
4
que se consume un recurso no renovable, se va agotando.
Las reservas disponibles están sujetas a la factibilidad
técnica y económica de su explotación, al descubrimiento
de nuevos yacimientos y al ritmo de extracción y
consumo.
FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLE.
Se llama energía renovable la que puede explotarse
ilimitadamente, es decir, su cantidad disponible (en la
Tierra) no disminuye a medida que se aprovecha. Para
llegar a tener un esquema de desarrollo sustentable
mundial es indispensable que los recursos, y
particularmente la energía, sea renovable.
La principal fuente de energía renovable es el Sol. El
Sol envia a la Tierra únicamente energía radiante, es
decir, luz visible, radiación infrarroja y algo de
ultravioleta. En la atmósfera se convierte en una
variedad de efectos, algunos de los cuales tienen
importancia como recurso energético, como lo es la
energía eólica, la energía de la biomasa, la diferencia
de temperaturas oceánicas y la energía de las olas.
1. Energía Solar.
Directa. Una de las aplicaciones de la energía solar
es directamente como luz solar. Un ejemplo es el secado
5
de ropa y algunos productos en procesos de producción
con tecnología simple.
Térmica. Su aprovechamiento se logra por medio del
calentamiento de algún medio. Como la climatización de
viviendas, calefacción, refrigeración, secado, etc., son
aplicaciones térmicas.
Fotovoltaica. Es aprovechada por medio de celdas
fotoeléctricas, capaces de convertir la luz en un
potencial eléctrico, sin pasar por un efecto térmico.
2. Energia Eólica.
La energia eólica es la energia que se produce con
viento. Las aplicaciones más comunes son: transporte,
generación eléctrica y bombeo de agua. La energia eólica
es derivada de la energia solar, porque una parte de los
movimientos del aire atmosférico se debe al
calentamiento causado por el Sol.
3. Energia de la Biomasa (fotosíntesis).
Esta es la forma más antigua de aprovechamiento de
la energia solar, inventada por la Naturaleza misma, la
fotosíntesis. Mediante este mecanismo las plantas
elaboran su propio alimento y el de otros seres
6
vivientes en las cadenas alimenticias. Pero también
mediante fotosíntesis se obtienen otros productos, como
la madera.
4. Diferencia de Temperatura Oceánica (OTEC).
En los últimos años se ha propuesto utilizar la
diferencia de temperatura que existe entre la superficie
del océano (unos 20°C o más en zonas tropicales) y la
correspondiente a unas decenas de metros abajo de la
superficie (cercana a 0°C) , para proporcionar los flujos
de calor para impulsar un ciclo termodinámica y producir
otras formas de energía.
5. Energía de las Olas o Maremotriz.
También se ha aprovechado, en ciertos lugares
privilegiados, el vaivén de las olas del mar para
generar energía eléctrica. Las olas son, a su vez,
producidas por el efecto del viento sobre el agua. Por
tanto, también es una forma derivada de la energía
solar.
7
6. Energía Hidráulica.
La energía hidráulica es la que se obtiene a
partir de caldas de agua, artificiales o naturales.
Típicamente se construyen presas en los lugares con una
combinación de gasto anual de agua y condiciones
orográficas adecuadas.
Como podemos ver, no existen problemas de falta de
recursos energéticos renovables. El problema energético
mundial actual consiste en que nuestra sociedad se ha
hecho dependiente de un sólo recurso: los hidrocarburos,
porqué, debido a que en México es lo que se produce en
altas cantidades y hay que consumirlo.
8
1.2 OBJETIVO
El objetivo de esta tesis, es inducir a reducir lo
mas posible el consumo del uso del Gas L.P. para la
calefacción de agua domestica. Usando técnicas para el
uso de energía alternos, como lo es la energía solar.
Basada en la necesidad económica de los mexicanos
para reducir los costos de los energéticos, México es
una Nación dependiente de la producción de petróleo, y
cada vez que este energético sufre crisis mundiales,
México enfrenta graves problemas económicos.
El petróleo es un energético no subsidiado por el
Gobierno Mexicano como lo es la electricidad, el costo
de la electricidad deberla de ser sin el subsidio 4
veces lo que cuesta ahora.
La electricidad por eso es que se utiliza
indiscriminadamente, si la electricidad no contara con
subsidio seria también preocupación nacional y al
contrario del petróleo constantemente se hacen intentos
por contraer una racionalización efectiva en el uso de
este energético.
La energía solar es una alternativa en México ya que
este tipo de energía es abundante, México es uno de los
9
paises con mayor radiación anual en el Mundo, y en
América del Norte es el primer lugar, la imagen
siguiente lo muestra.
Como podrán ver en la imagen de la siguiente página
México goza de la mayor cantidad de Kilowatt horas por
metro cuadrado por dia dentro de América del Norte,
aunque esta imagen fue tomada el 15 de Diciembre de
1994, que fue Invierno, estos valores definitivamente se
incrementan en las demás estaciones del año.
10
Annual Mean Daily Total Global Horizontal Solar Radiation
i i 7 S Í 10 11 12
kilowatt hours pe t square rn éter p er day
Version 1.0-} - 12/15/94
Raymond J. Baiim and Associates Albuquerque, NM
CAPITULO DOS
GENERALIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR
12
2.1 EL SOL, FUENTE DE ENERGÍA
Para los fines de esta tesis, el Sol es una inmensa
esfera de gases a alta temperatura, con un diámetro de
1.39xl09m, situado a la distancia media de 1.5xlOnm
respecto de la Tierra. Esta distancia se le llama unidad
astronómica.
Se estima que la temperatura en el interior del Sol
debe ser del orden de 15 millones de Grados Celsius, y
esta va disminuyendo hasta llegar a la superficie solar,
donde la temperatura promedio es de 5770 Grados Celsius.
Desde luego nadie ha colocado un termómetro en la
superficie del Sol. La temperatura se mide por métodos
indirectos, basados en diversos modelos. Debido a esto
no coinciden todas las estimaciones de su temperatura.
Algunos datos interesantes acerca del Sol son los
siguientes: el Sol genera su energia mediante reacciones
nucleares de fusión, por ejemplo dos átomos de hidrógeno
que producen helio, o uno de helio y uno de hidrógeno
que producen litio, etc.- que se llevan a cabo en su
núcleo. La generación de energia proviene, por tanto, de
la pérdida de masa del Sol, que se convierte en energia
de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein, E = m c2,
donde E es la cantidad de energia liberada cuando
desaparece la masa m; c es la velocidad de la luz.
13
El núcleo solar es la región comprendida dentro del
23% de su radio, a partir del centro, que corresponde a
tan sólo el 15% del volumen, pero en cambio contiene el
40% de la masa y ahí se genera el 90% de la energía. El
sol esta compuesto de 73.46% de hidrogeno y 24.85% de
helio el resto de son elementos mas pesados, la
densidad es del orden de 105 kg./m3.(La densidad del
agua es 103 kg./m3).
A una distancia del 70% del radio solar, la
temperatura es del orden de 105K y la densidad es de
unos 70 kg./m3. La zona que va del 70% al 100% del radio
solar, se conoce como zona convectiva y su temperatura
va de 5000 grados kelvin a 6000 Grados Kelvin . La capa
externa de esta región recibe el nombre de fotosfera y
es considerada como la superficie del Sol, por ser ésta
una región opaca, de donde se emite la gran mayoría de
la radiación solar hacia el espacio.
La fotosfera es la superficie aparente del Sol
cuando se observa con un filtro adecuado. Por ser opaca,
la fotosfera impide observar el interior del Sol. Sin
embargo, es claro que, como todo el Sol, desde el núcleo
hasta su superficie se encuentra en forma gaseosa, no
hay una superficie física claramente definida, como la
hay en la Tierra. Sobre la fotosfera existen también
gases, en condiciones tales que son esencialmente
transparentes, que se conocen como la corona solar,
observable durante los eclipses totales de Sol. La
14
corona solar es la atmósfera del Sol. De forma similar a
como sucede en la Tierra, la corona es cada vez más
tenue a medida que se está a mayor distancia del núcleo
solar, hasta confundirse con el vacio relativo que
existe en el espacio interestelar.
15
2.2 LA CONSTANTE SOLAR.
Debido al movimiento de rotación y traslación de la
tierra la radiación solar que recibe cada punto de la
tierra varia, dependiendo de la radiación directa y
difusa que esta reciba, por esto- un balance global de
radiación es una mera aproximación de la radiación
terrestre, aunque se puede tener una idea de que sucede.
El 47% de la radiación solar que absorbe nuestra
atmósfera llega a la superficie terrestre; 31% directa y
16 % indirecta.
El resto de radiación que se desaprovecha se divide
en los siguientes porcentajes :
23 % al espacio exterior debido a la reflexión
de la capa superior de la atmósfera
6 % se pierde por difusión de
aerosoles(pequeñas gotas de liquido que
permanecen suspendidas en el aire.
7 % se refleja en el suelo terrestre
17 % es absorbido por las distintas capas de la
atmósfera.
La suma de estas perdidas es de 53%, por lo tanto en
los diferentes sistemas solares para captación se puede
aprovechar en promedio 47% de la radiación que llega
fuera de la atmósfera.
16
Imagen 1
La Imagen 1 muestra las perdidas que sufre la
radiación durante el recorrido hasta llegar a la
superficie terrestre.
Los movimientos de la tierra de rotación y
traslación hacen que varié la cantidad de radiación que
recibimos, asi que para determinar la radiación por
unidad de tiempo por unidad de superficie que recibe un
lugar esta determinado por los siguientes factores.
La combinación de tres factores: la distancia de la
Tierra al Sol, el diámetro solar y la temperatura del
Sol, determinan un flujo luminoso, i.e., un flujo de
energía que incide sobre la superficie de la Tierra
17
Se llama flujo de "algo" (materia, energía), la
cantidad de ese "algo" que pasa a través de una
superficie, por unidad de área y por unidad de tiempo.
Por tanto, el flujo luminoso, que es un flujo de
energía, tiene unidades de energía por unidad de área y
por unidad de tiempo.
La radiación recibida en la superficie terrestre ha
sufrido ya una merma en el recorrido, esta debe de
atravesar ± 150 millones de kilómetros, en este
recorrido se queda aproximadamente el 30%, de manera que
solo llega el 70% restante
Mucho se ha discutido acerca de si el Sol emite un
flujo de energía constante, o se trata de una estrella
variable. Algunos estudios parecen indicar que la
variación de la emisión de energía, por parte del Sol,
es menor al 1% a lo largo de un ciclo solar, que dura 22
años. No se conoce a ciencia cierta la causa de estas
variaciones. Para los fines de esta tesis, la emisión de
energía del Sol se considera constante. La radiación
solar terrestre está mas ligada, a las condiciones
meteorológicas, que a las solares.
La radiación emitida por el Sol, junto con sus
condiciones geométricas respecto de la Tierra, dan por
resultado que, sobre la atmósfera terrestre, incide una
cantidad de radiación solar casi constante. Esto ha dado
lugar a la definición de la llamada constante solar.
18
La constante solar, Gsc, es el flujo de energía
proveniente del Sol, que incide sobre una superficie
perpendicular a la dirección de propagación de la
radiación solar, ubicada a la distancia media de la
Tierra al Sol, fuera de toda atmósfera.
Aclaremos algunos puntos :
Primero : La constante solar se refiere a una
cantidad de energía que incide,
instantáneamente, sobre una superficie de área
unitaria.
Segundo : Esta superficie supuesta es
perpendicular o normal a la dirección de
propagación de la luz. Una superficie en
posición inclinada respecto de la dirección del
Sol, recibiría menor flujo de energía.
Tercero : La superficie supuesta se encuentra
situada a la distancia media de la Tierra al
Sol. Todos sabemos que la intensidad de la
radiación solar es mucho mayor en Mercurio que
en la Tierra, y que en nuestro planeta es mucho
mayor que en Plutón. Como la órbita que
describe la Tierra alrededor del Sol no es
circular, por lo tanto, la distancia Tierra-Sol
19
no es constante, debe considerarse un valor
promedio, para poder hablar de una constante.
El valor comúnmente aceptado para la constante solar
ha variado en los últimos años, según las técnicas de
medición que se han empleado, lo cual no indica que haya
variado en si la magnitud de la energía que se recibe
del Sol.
Gsc = 1.940 cal/cm2min = 428 Btu/ft2hr
Estos valores fueron aceptados por la NASA (1971) y
por la ASTM.
Los valores presentados en este capitulo, son usados
solo como referencia, ya que no pueden ser modificados,
debido a que están sujetos a condiciones del sistema
solar y están fuera del alcance del hombre para ser
modificados.
Los valores que pueden ser modificados, son los
derivados de los cálculos de sistemas de captación
solar, debido a que están sujetos a la aplicación y
demanda de los usuarios de sistemas de captación solar.
20
2 . 3 MEDICIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR
La energía solar es medida en cuanto a la
radiación que incide sobre una superficie supuesta, esta
superficie puede ser plana, curva, etc. la medida y la
forma de la superficie del sistema varia de acuerdo a
las necesidades de cada sistema.'
Los métodos para medir la energía solar que inciden
en una superficie dada, son diversos, complejos, no se
ha estandarizado ningún método, y para los fines de esta
tesis no es uno de los objetivos.
Sin embargo no es necesario que haya un método
oficial para este fin, ya que los diseños y cálculos de
los sistemas de calefacción que utilizan energía solar
como combustible, se utilizan valores constantes, como
se explico en la Constante Solar.
La energía solar que incide sobre una superficie ha
sido medida en base a cálculos complejos, en cada
sistema que se diseña no es necesario hacer una medición
exacta de cuanta radiación recibe cada lugar, ya que
como lo muestran las imágenes siguientes la radiación se
ha tomado constante
21
México es el tercer pais en el mundo en recibir
mayor radiación, recibiendo en promedio entre 6 y 7
Kwatts/m2/hr.
La tabla siguiente muestra la cantidad de energia
solar recibida en diferentes áreas con una intensidad
media de radiación de 1 cal/cm2/min.
A r e a 1 cm'
1 f t 2
1 m¿
100m2
(Techo) 1 a c r e
1 Km2
1 M i l l a
L a n g l e y s 1
929
104
10 6
4 . 0 5 x 1 0 ' 1 0 i o
2 . 5 9 x l 0 l ü
K c a l / m i n . . 0 0 1
. 9 29
10
10 3
4 . 0 5 x l 0 4
1 0 '
2 . 5 9 x l 0 1 0
K c a l / d i a . 5 00
464
5 x l 0 3
5x lO b
2 . 0 2 x 1 0 '
5 x l 0 9
1 . 3 x l 0 l ü
BTU/hr . 2 38
221
2380
2 . 3 8 x l 0 6
9 . 6 4 x l 0 6
2 . 3 8 x l 0 9
6 . 1 5 x l 0 9
Kw 7 x 10 b
. 0 6 5
. 7
40
2 . 8 3 x l O J
7 . 0 0 x l O b
1 . 8 1 x l 0 6
HP 9 . 3 9 x 10 5
. 087
. 9 38
9 3 . 8
3 . 7 9x lO J
9 . 3 8 x l O b
2 . 4 2 x l 0 6
Suponiendo un dia soleado de 8 horas de radiación,
que es el dia promedio en México
En la Imagen 2 se observan las horas mensuales de
insolación promedio en la república mexicana.
22
2**
Imagen 2
La Imagen 3 muestra la radiación medida en
cal/cm2/dia mundial promedio, se puede apreciar
someramente las diferencias de radiación entre las
diferentes localidades del mundo.
20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 160 140 120 100 80 60 40 20
Radiación en cal/cmVdía
Imagen 3
23
Como podemos ver nuestro pais es uno de los mas
favorecidos en cuanto a la radiación de energía solar se
refiere, los valores en la República mexicana van de 300
a 550, la Imagen 4 muestra con mas detalle estos
valores.
FROMEPfO ANUAL PE RAPIACIÓ/4 TOTAL PIARÍA LAAIGLEY/PÍÁ
»** »«* W IOA" wo' «.* se* a* CAt-ott/e -piA jj¡s*>-g*> []~]*•*>-**> Mlj**>-4so &Z%**>.ACO n » - » »
Imagen 4
Las imágenes 1 a 4 sirven solo como referencia y
aunque existen diferencias de radiación entre estas y
los diferentes estados de la República Mexicana, los
valores mostrados se tomarán como promedio para los
cálculos, ya que como se vio en los capítulos anteriores
la constante solar es la que se utiliza para los
cálculos y dimensionamiento de sistemas que utilizan
energía solar.
24
CAPITULO TRES
COLECTORES SOLARES
25
3.1 FUNCIONAMIENTO DEL COLECTOR.
El calor se transmite siempre de los cuerpos
calientes a los cuerpos frios. Las tres formas de
transmisión de calor son radiación, convección y
conducción
Un colector solar es un intercambiador de calor que
transforma la energía radiante en calor. La
transferencia de energía se hace desde el sol, hacia
agua o aire generalmente, que circula por los tubos o
ductos del colector. El flujo de energía radiante que
finalmente intercepta el colector, proviene básicamente
del rango visible del espectro solar que es por
naturaleza variable con el tiempo.
Existen 2 tipos de colectores solares, planos y de
concentración, los colectores solares planos son los más
comunes. Estos pueden ser diseñados y utilizados en
aplicaciones donde se requiere que la energía liberada
tenga bajas temperaturas, debido a que la temperatura de
operación de este tipo de colectores, difícilmente
supera los 100 Grados Centígrados.
26
Las ventajas que podemos obtener con este tipo de
colectores con respecto a los colectores de
concentración son :
1.- Los colectores planos utilizan la energía solar
directa más la difusa.
2.- No requieren movimiento continuo para dar
seguimiento al sol.
3.- Prácticamente no necesitan mantenimiento.
Las principales aplicaciones de estos dispositivos
son :
• Calefacción de agua a nivel domestico.
• Calefacción de agua para piscinas.
• Calefacción de aire para edificios.
27
3 . 2 COLECTORES PLANOS
3 . 2 . 1 PARTES DE UN COLECTOR PLANO
Las p a r t e s más impor tan tes de un c o l e c t o r s o l a r
p l ano se p r e s en t an en l a Imagen 5.
TUBOS J U N T A S Y
SELLADORES VIDRIO D E ELEVADORES V P I I R I P R T A
CAJA DE AGUA ^ ^ - * > ^ CUBIERTA (* (MULTIPLE)
MEDIO DE TRANSFERENCIA DEL CALOR
CAJA DEL COLECTOR
AISLANTE
PLACA DEL ABSORBEDOR Y CAPA DE RECUBRIMIENTO
Imagen 5
La Imagen 5 muestra un corte transversal de uno de
estos dispositivos que maneja agua como fluido de
trabajo. Se puede observar que la energía solar que
incide en la superficie, tiene que atravesar una
cubierta de vidrio (en algunos casos son varias
cubiertas)o algún otro material transparente adecuado,
28
antes de alcanzar la placa de absorción negra o de
superficie selectiva que es el elemento más importante
del colector solar, la cual está unida a los tubos o
ductos. En esta placa, es donde la energia radiante es
convertida en calor.
Este calor, es transferido por conducción hacia el
fluido de trabajo (agua, aire), que es el que remueve la
energia térmica del colector y la transfiere al tanque
de almacenamiento térmico. El vidrio o su equivalente,
además de permitir la entrada de la radiación solar
hasta la placa de absorción, sirve también para
minimizar las pérdidas de calor por radiación y
convección hacia el medio ambiente por la parte superior
del colector.
El aislante térmico (espuma de poliuretano,
poliestireno, lana de fibra de vidrio, etc.) es colocado
en la parte inferior ( de abajo ) y a los costados ( a
los lados ) del colector, de esta manera se disminuyen
las pérdidas de calor hacia el exterior en estas partes,
como se explica a continuación : Las perdidas son
producidas debido a que en la noche la temperatura
disminuye y la energia recibida se transmite de el
cuerpo mas caliente al mas frió, entonces, en el
colector las horas que se recibieron de radiación
produjeron que se incrementara la temperatura interior
del colector y cuando llega la noche las temperaturas
disminuyen entonces se transmite el calor del colector
29
al exterior y se enfriara el colector. Todas las partes
mencionadas se encuentran dentro de una "caja" que sirve
como parte estructural del colector y que puede ser
hecha de diversos materiales como lámina metálica,
madera o plástico.
Algunos de los parámetros más importantes que se
tienen que tomar en cuenta para su diseño, rendimiento y
funcionamiento, son los siguientes:
1.- Tipo de tubo o ducto.
2.- Diámetro nominal.
3.- Material y acabado de la placa de
absorción.
4.- Número y tipo de capas o cubiertas
transparentes.
5.- Tipo de aislante y espesor.
6.- Inclinación y orientación del colector.
7.- La intensidad de la radiación solar.
A continuación se explica cada uno de ellos
1.- Tipo de tubo o ducto: Estos pueden ser de
cobre, fierro fundido, PVC, se pueden usar otros
materiales, pero las tuberías de cobre, fofo, PVC,
30
son los comunes y fáciles de comprar en México, el
mas conveniente es el de cobre.
Sea cual sea el material escogido se afectará
la transmisión de calor hacia el agua, el costo del
colector y el procedimiento constructivo de la
tubería.
Imagen 6
La Imagen 6 muestra un tipo de tubo que es fabricado
de una aleación de aluminio y cobre, el terminado es de
una fina película de color negro de cobalto anodizado,
esta película es considerada como una de las mejores
superficies selectivas, de esta manera se absorbe mayor
radiación que si se pinta de color negro.
31
Con este tipo de tubo no es necesaria la placa de
absorción, ya que esta integrada con el tubo o ducto,
este material es llamado "tira solar" (sunstrip), y es
fabricada en Canadá, por la compañía TERMODINAMICS LTD.,
en México no se fabrican estos tubos, aunque se pueden
adquirir a través de Internet en la siguiente dirección:
http://www.thermo-dynamics.com
2.- Diámetro nominal : Esta directamente
relacionado con la velocidad y el gasto de agua, y
desde luego el diámetro, ya que a menor diámetro
existe mayor velocidad de fluido dentro de la
tubería y tendremos mayores perdidas por fricción.
El diámetro y el material óptimo es el tubo de
cobre de 3/8" por economía.
El tiempo que el sistema necesita para
alcanzar la temperatura de trabajo esta determinada
por diferentes factores como son : La radiación del
lugar en un dia cualquiera, la velocidad del agua
dentro de la tubería, , el material de la tubería,
el área de contacto de fluido con el diámetro
interior del tubo, y el gasto.
3.- Placa de Absorción: El propósito de esta
placa de absorción es convertir la energía radiante
en energía calorífica.
32
Cuando la luz del sol radia una superficie
pintada de color negro, la mayoría de la luz será
absorbida en la superficie y se convertirá en calor,
en cambio si la superficie esta pintada de colores
claros la luz que radie esta superficie será
reflejada hacia el exterior, los colores claros o
incluso espejos funcionan cuando se necesita enviar
la radiación a otro cuerpo. Esta placa puede ser de
cobre, aluminio, acero inoxidable, lámina
galvanizada, esta es la parte del colector que
recoge la energía transmitida a través de la
cubierta del colector, debe de estar unida a los
tubos de manera que la transmisión de calor sea
eficiente, la unión debe de ser uniforme y constante
a lo largo del tubo. Normalmente se cubre con una
capa de pintura negra o con superficies selectivas
como lo es el Cobalto anodizado para incrementar la
capacidad de retención y absorción de la energía
recibida.
A continuación se presentan los porcentajes de
absorción si se pinta de diferentes colores, ya que
el color negro como no siempre es el mejor visto en
caso de diseños arquitectónicos, pueden cambiar de
color teniendo en cuenta la perdida de absorción que
se tendría pintándolo de otro color.
33
Lista general de porcentajes de absorción de
diferentes colores:
Negro
Gris Oscuro
Oliva Oscuro
Azul Oscuro
Café
Verde laca
Gris claro
Rojo óxido
Ladrillo rojo
Concreto normal
Ciliar claro
Naranja
Amarillo
Azul
Verde
Blanco brillante
90&
90%
90%
85%
80%
80%
75%
75%
70%
65%
60%
58%
57%
51%
45%
30%
a
a
a
a
a
98%
90%
88%
78%
60%
Como podemos ver el negro es el color mas
absorbente, absorbiendo mas del 90% de la energía
radiada y además es el que menos refleja esta
energía. Aunque estos porcentajes son solo
aproximaciones y tendrán variaciones dependiendo de
varios factores como lo son el tipo de pintura, el
ángulo de inclinación, etc.
34
Los valores por arriba del 60% son los
recomendados para la captación de "energía solar,
aunque definitivamente el sistema tendrá decremento
en el rendimiento de absorción.
El tamaño de la placa esta determinado por el
área requerida del colector. Que regularmente varian
desde 2 m2 hasta 4 m2, si se utilizan mayores áreas
en colectores se presentan problemas de manejo,
construcción y transportación.
4.- Número y tipo de capas o cubiertas,
posición e inclinación de la cubierta: La cubierta
debe reflejar la menor cantidad posible de la
energía que incide sobre el área del colector, esto
se logra colocando el colector de manera normal a la
radiación recibida, esta colocación tiene la
inclinación de la latitud del lugar, en el caso de
México la latitud es de 19 grados de inclinación,
entonces la estructura del colector deberá tener esa
inclinación.
Algunos diseñadores recomiendan variar la
inclinación en ±10 grados del colector dependiendo
la temporada del año; por ejemplo en la Cuidad de
México la inclinación recomendable es de 19 grados,
en invierno será de la inclinación actual menos 10
grados, de modo que tendrá 9 grados en invierno, y
35
en verano se deberá sumar 10 grados a la inclinación
normal, quedando esta en 2 9 grados.
Aunque la mayoría de las compañías que
instalan/venden estos sistemas nunca varían su
inclinación en invierno ni en verano, si no que
tiene una inclinación permanente ya que con la
estructura que venden el sistema de presenta la
manera de cambiar la inclinación, y además nunca
mencionan cambios de inclinación en sus sistemas.
También con esta cubierta se logra el efecto de
"invernadero" se deja entrar a la radiación que
incide sobre la superficie y no la deja salir, en la
Imagen 7 se muestra este efecto:
RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE RADIACIÓN REFLEJADA
RADIACIÓN ABSORBIDA CUBIERTA
i « x .> * / RADIACIÓN *TV \ / \ RADIACIÓN 7
EMITIDA W / ^REFLEJADA
C U PLACA í
RADIACIÓN ABSORBIDA ABSORBENTE Imagen 7
36
Los materiales usados para esta parte del
colector pueden ser vidrio, acrilico, laminados de
fibras de vidrio, placas dobles de policarbonato,
etc. el objetivo es permitir el paso de la radiación
directa, asi que debe de ser un cuerpo transparente
o en su defecto translúcido que también funcionarla
satisfactoriamente.
Si se colocan dos cubiertas transparentes
incrementamos la capacidad del colector para ignorar
cambios de temperatura del medio ambiente, esto es
mas desfavorable en la madrigada que es la parte del
dia cuando la temperatura es mas baja o
desfavorable, si colocamos una sola cubierta la
temperatura interior del colector se adaptarla con
mayor rapidez a la temperatura ambiente, si
colocamos dos cubiertas, la primer cubierta servirá
de refractario y será la que experimente decrementos
en su temperatura y la segunda conservara el calor
obtenido durante las horas de sol que hubo en el
dia, de manera que al dia siguiente la temperatura
de servicio (50 a 80 Grados Centígrados promedio) se
logrará con mayor rapidez que si se colocara una
sola cubierta, desde luego que colocar dos cubiertas
incrementará el costo del colector, pero en
localidades donde la temperatura es muy baja por las
noches o inclusive es baja en el dia pero los dias
son soleados, es decir el aire es frió pero tiene
radiación utilizable como en las montañas, en esos
37
casos es muy conveniente hacer uso de este tipo de
colector de doble cubierta.
Un ejemplo de doble cubierta se muestra en la
Imagen 8.
Imagen 8
5.- Tipo de aislante y espesor : Para proveer
una máxima eficiencia del colector, debe de esta
aislado por la parte posterior y los lados, esta
parte del colector puede ser de Fibra de vidrio,
Espuma de poliuretano, unisel, Cartón Corrugado de
Empaque, etc. deberá de ser capaz de soportar las
temperaturas de trabajo del colector, el espesor
esta en función del material que se escoja, pero en
38
general los espesores que se colocan en esta parte
del colector van desde W hasta 1W.
6.- Inclinación y orientación del colector : La
inclinación como se menciono en el punto 4, debe de
ser de ± 19 grados, en el invierno algunos
investigadores han decidido variar la inclinación en
-10 grados, esta es una opción para los colectores
que tienen partes movibles, o que se puede ajustar
la inclinación, las partes movibles incrementan el
costo y la disminuyen durabilidad del colector, pero
será suficiente con que se cumplan 19 grados, en el
caso de que esta inclinación no se cumpla se deberán
colocar colectores adicionales, para proveer la
captación requerida al sistema, estos cálculos se
detallan en la sección 4.1 Calculo y
dimensionamiento del sistema. La orientación deberá
de ser al sur en cualquier caso, si la orientación
no es cumplida se colocaran mas colectores para
proveer al sistema el área requerida de captación,
al sur es la orientación optima para captación de
energia solar
7.- La intensidad de la radiación solar: Los
sistemas se calculan de acuerdo a la localidad
geográfica, Numero de usuarios y aplicación, la
intensidad de la radiación esta en función de la
localidad, por ejemplo, en Cuernavaca, Morelos la
intensidad es 12% mayor que la radiación en la Cd.
39
de México de manera que los sistemas de la Cd. de
México son mas costosos por necesitar 12% mas área
de colección solar, y por el otro lado en Morelos se
requiere 12% menos área de colección y esto hace al
sistema mas económico.
La Imagen 9 muestra la manera mas económica de
construir un colector solar plano, usando cajas de
madera, la durabilidad, y la eficiencia se ven
reducidos notablemente. Estos colectores tienen una
vida útil de 5 años máximo, debido a que la madera
es muy susceptible al medio ambiente y se
presentaran fugas de aire en la caja del colector.-
Ángulo de a lumin io
W¿-fYS/S¿?MW¿wsá£& C r i s t a l d e 5 m m
Arreglo de tubos
Lámina
Aislante
Triplay de 3 ó 5 mm
Imagen 9
40
3.2.2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COLECTORES
PLANOS
La función del colector solar plano es "colectar" la
máxima radiación posible mientras la luz del sol este
disponible, y para que esto se cumpla necesitamos
colectores construidos con alta calidad, para que sean
de alta calidad necesitamos que hayan sido fabricados
con materiales de alta calidad y asimismo que la mano de
obra haya sido supervisada y calificada.
Es frecuente contar con materiales de buena calidad
y colectores terminados de bajo rendimiento, debido a un
proceso constructivo de pobre, y desde luego el colector
resulta menos eficiente, no lograra las temperaturas
deseadas, su vida útil se verá reducida y será igual de
costoso, que un colector construido con alta calidad.
Los materiales recomendados para la construcción de
un colector solar, se mencionan en 3.2.1 Partes de un
Colector Plano.
Todas tienen diferentes materiales en uso, y como ya
se ha mencionado la durabilidad y rendimiento se ven
afectados, dependiendo de los materiales y la mano de
obra que utilicen, la manera en que se construya
dependerá del presupuesto y de la disponibilidad de los
materiales.
41
PARTES PE LAS QUE CONSTA tW COLECTOR SOLAR ÁMOH.0 VB Z CM- VT Z CM PE ¿ÁMWA OALVAWZAPA PE ACERP O PE AIUMWIO OCW SÜ& 1»KNiUí>5 O PIJAS.——
VIPKB PB « MM. COW VIAIIU5, «t-LAPO CON f ' f i ^ j , , PA^ ¿VITAR « * « f*&P ASUA PE ¿¿OVIA At WT6gl¿K.
^ItecTiVA pe crowo AIE^RO. erxa»cM..
MA6CO PC MAPERA O ÍÁMW* fiAí-VAMlZARA O PERRt P6 ALOMI/M0 _
AI41AMI6MT0 PE fW.IÜ|£ETA»W O CAS-TW COfXD&fiVO PE EKpAOUe _
fOHW Pe tAMWA «AMAIZARA O PE tÁMIAlA PE AUtMWIO <? PE TffiriAV, «W SD& -pfcNlUtó O PíJAS—
Imagen 10
La Imagen 10 muestra otro tipo de colector solar
plano básicamente es el mismo sistema solo que presenta
diferentes opciones para los materiales para la
construcción del colector, este tipo de colector si es
construido cuidando el proceso constructivo, su vida
útil esta estimada en 12 años minimo.
42
Vidrio Templado
Junta para Soporte del Vidrio y Aislamiento del Exterior
Perfil de Aluminio«"-~~
Perfil de Aluminio >
Aislamiento de Fibra de Vidrio •
Tubo de Cobre
Absorbedor negro con superficie selectiva de Cobre-Aluminio
Aislamiento de Fibra de Vidrio
Lamina de Aluminio
^mm^xwm'iKmzAs
ÜfÉÉ
-ft-J
Imagen 11
La Imagen 11 muestra otro tipo de colector solar
plano utilizando los diferentes materiales mencionados
en la sección 3.2.1., es mas ligero que lo mostrados con
anterioridad y se observa que la construcción es limpia
y practica.
En la Imagen 12, lo mas notable es el arreglo de
doble cubierta de cristal o vidrio común, aunque la
lamina de absorción y los tubos no están alineados de
manera horizontal, es posible captar energía solar en
esa manera, no es necesaria la horizontalidad de los
tubos y la placa de absorción, aunque asi se reduce un
poco la captación de energía.
43
La Imagen 12 no muestra ningún tipo de junta en las
uniones del vidrio con el aluminio, estas juntas son
indispensables en el rendimiento del colector, se
deberán de colocar las juntas aunque no estén mostradas.
Sección transversal de un colector plano i Vidrio común
Lámina con tubos soldados (cobre con pintura negro mate)
Aislante térmico (fibra de vidrio o poliuretano)
Imagen 12
Cada una de las imágenes 5 a 12 muestra diferentes
cosas, que son adaptables unas a otras, como por ejemplo
se podria usar doble cubierta en cajas de madera o en
perfiles de aluminio, aunque no haya sido mostrado asi.
Como ya se menciono anteriormente, la mano de obra
juega un papel importante en la construcción de los
colectores, debido a esto se deberá poner mayor énfasis
en el proceso constructivo y en la supervisión de la
construcción, a fin de no fabricar colectores costosos
44
usando materiales de alta calidad para producir
colectores de baja eficiencia, baja durabilidad y desde
luego una relación costo-beneficio pobre.
Los colectores planos son los mejores en cuanto a
colección de energía por unidad de área cuadrada, ya que
es el único tipo de colector capaz de captar los 2 tipos
de radiación emitida por el sol, que es la radiación
directa y la radiación difusa, que pasa a través de
cuerpos como lo son las nubes.
Este tipo de colector es capaz de esto debido a que
se produce el efecto invernadero dentro de este, este
efecto invernadero es el funcionamiento principal del
colector, es decir la cubierta de cristal deja pasar los
2 tipos de radiaciones y no las deja salir, de manera
que mientras exista radiación, la temperatura del
colector seguirá subiendo, de manera que ni en el mejor
de los casos excederá los 100 grados centígrados.
Los colectores deberán de ser elementos herméticos
contra cualquier entrada o salida de aire, cuando
existen fugas de aire, el aire caliente sale del
colector y en su lugar entra aire frió.
La manera mas efectiva de • sellar esta parte es
usando Silicon Automotriz, este Silicon resiste
temperaturas del orden de -10 y hasta 250 grados
45
centígrados, sin perder su flexibilidad, y propiedades
como la hermeticidad.
Aunque es mas caro que el Silicon normal
(transparente para ventanas), el gasto se justifica con
la durabilidad a través del paso del tiempo en el
sistema, esta junta se deteriorara menos que si se usa
Silicon normal, entonces esta junta con silicon
automotriz tendrá una vida útil mucho mayor que la del
Silicon normal.
El espacio que se deberá dejar entre la tubería y la
ler cubierta, deberá de ser ± 10cm. Esta distancia esta
determinada por la separación que tenemos de la tubería
a las paredes del colector, deberá de ser la misma
distancia que existe entre la tubería y el cristal, que
la que existe entre la tubería y las paredes mas
próximas al recipiente que hace la función de "caja". Si
no es la misma distancia tendremos problemas de que el
área efectiva de radiación solar no será la misma, ya
que la tubería que estará sombreada por los lados del
colector.
Las dimensiones de la superficie colectora solar
dependerá de la cantidad de energía deseada, normalmente
se han construido desde 1 m2 hasta 2 m2, debido a que
entre mas grande mas complejo es su transportación,
construcción y manejo, la ventaja de superficies mayores
46
es necesitan menos conexiones y pueden alcanzar
temperaturas altas en menor tiempo.
Las dimensiones óptimas dependerán de su concepción
constructiva, del lugar de fabricación, y
transportación; por ejemplo, si el colector se va a
construir dentro de la ciudad y en el mismo sitio será
servicio, entonces no habrá problemas de transportación,
pero si por ejemplo es un lugar rural, y las casas de
materiales no están cerca, entonces el transporte de
materiales será el problema, debido al tamaño, en ese
caso se recomienda diseñar colectores mas pequeños, para
que el transporte del material no necesite medios
especiales de transportación.
El diseño del colector solar deberá de ser fabricado
con mano de obra calificada y experimentada, es
frecuente contar con materiales de buena calidad y
colectores terminados de baja calidad, debido a un
proceso constructivo de mala calidad, y desde luego el
colector resulta menos eficiente.
47
Existen colectores prefabricados de excelente
.dad, presentación y rendimiento como el que muestra
Imagen 13 :
Imagen 13
Este colector que se comercializa por compañías
en Canadá y Estados Unidos, las medidas que los
fabrican son: 1. 2m x 2. 5m y 1. 2m x 3.1m., estos
colectores usan los materiales recomendados en la
sección 3.2.1. Partes de un Colector Plano, y la
mayoría utilizan las tiras solares mencionadas en
3.2.1 Partes de un Colector, Punto No. 1.
Dependiendo de la localización geográfica,
estos colectores se pueden comprar vía Internet, en
el caso de que no se desee construir el colector
"casero" es altamente conveniente adquirir
48
colectores prefabricados ya que están listos para
conectarse al sistema, garantizan hermeticidad,
durabilidad y calidad en los materiales que se
usaron para construirlo asi como también el proceso
constructivo.
También cuando esta en juego la calidad del
sistema cuando se ha adquirido un compromiso,
cuando no se tiene experiencia en la construcción de
colectores es también recomendable adquirir los
colectores prefabricados.
Los cuidados que se deben observar en la
construcción del colector son variados pero a
continuación se presenta una lista con los mas
importantes:
1.- Utilizar mano de obra calificada.
2.- Que no exista ningún tipo de fuga
de aire entre la cubierta y la caja del
colector, este tipo de fallas reduce
considerablemente el rendimiento del
colector.
3.- Que lo que se use como caja del
colector este sellada perfectamente entre
sus uniones, si es que no es monolítica.
49
Que sus uniones cuenten con el mismo
sistema de sellado que el de la cubierta
que es con Silicon automotriz.
4.- Que la tubería y la placa de
absorción estén uniformemente unidas, para
una transmisión de calor efectiva y
continua.
5.- Respetar las dimensiones que
establecen los cálculos.
En el caso de que las medidas del
colector o el numero de colectores que
establecen los cálculos sean menores que
los recomendados causaran que el sistema
nunca cumpla su objetivo y de cualquier
manera el gasto económico se habrá hecho en
balde.
En el caso contrario de que las
medidas del sistema sean excedidas, sin
importar el porcentaje excedido, este
porcentaje "de mas" será en balde, ya que
nunca se necesitara esa energía extra que
se esta captando y almacenando pero el
gasto económico de un sistema mayor se
habrá hecho también en balde, y nunca esa
energía de balde se verá reflejada en
50
beneficio de los usuarios porque ellos ya
están cubiertos con las medidas nominales
que los cálculos establecen.
Bajo ninguna circunstancia las medidas
que establece el sistema deben de ser
alteradas.
6.- La omisión de cualquiera de los
puntos mencionadas en 3.2.1 Partes de un
Colector causarla una reducción muy notable
en el rendimiento del colector.
Aunque hay partes indispensables como
la tubería, ya que sin estas no habría
manera de hacer circular el agua y
calentarla, pero hay partes que son
necesarias mas no indispensables como lo
son la cubierta, el aislante de la parte
posterior y costados, aun sin estas partes
se lograrla un colector con demasiadas
deficiencias, funcionarla solo con
radiación directa por carecer de cubierta,
y en las noches la temperatura del colector
seria igualada a la del medio ambiente, 2 o
3 grados Centígrados en la madrugada este
es el promedio en la Cd. de México.
51
3.3 COLECTORES DE CONCENTRACIÓN
3.3.1 PARTES DE UN COLECTOR DE CONCENTRACIÓN
Los colectores de concentración son llamados asi
porque concentran la energía captada en un punto o en
una línea, generalmente son parabólicos, cóncavos, etc.
dependiendo su aplicación es la forma que se diseña.
Los colectores de concentración dependiendo de su
forma y aplicación pueden alcanzar temperaturas de hasta
2000 Grados Centígrados
Las partes de las que consta un colector de
concentración básicamente son dos solamente, el
absorbedor o receptor y el reflector. En lo sucesivo se
entenderá absorbedor como receptor y viceversa.
1.- El absorbedor : Las funciones del absorbedor o
receptor son las de recibir y transmitir la energía
concentrada que la recibe del reflector, en el
absorbedor se hace circular generalmente agua, aire, o
el elemento de trabajo que se este utilizando.
Los materiales con los que se construye el
absorbedor son de PVC, fierro fundido, cobre, cristal
52
templado y generalmente cualquier material capaz de
soportar altas temperaturas y altas presiones.
El PVC dependiendo del diámetro de la tubería no es
muy recomendable en aplicaciones donde se requiera
temperaturas muy altas ( arriba de los 200 Grados
Centígrados ) , ya que es susceptible a sufrir
deformaciones, este material se recomienda cuando la
longitud del reflector no es muy larga, hasta 2m, ya que
si se usa en mayores longitudes la temperatura no se
incrementara geométricamente se incrementara
exponencialmente y el siguiente colector que reciba el
liquido de trabajo del colector anterior no resistirá
tal temperatura y tal presión que sufriría
deformaciones.
Generalmente los absorbedores son tuberías o cajas
fabricadas de los materiales arriba mencionados, estas
en algunas ocasiones están pintadas de negro y otras
ocasiones no, por ejemplo en el caso de que la tubería
sea de cristal no se pinta de negro porque el
rendimiento se reduce considerablemente, cuando la
tubería se usa de cristal es cuando mayores temperaturas
se pueden alcanzar porque la radiación recibida en
ciertas partes del área del absorbedor es reflejada
hacia el reflector y el reflector la refleja de regreso
al absorbedor y así se incrementa el factor de
concentración, ya que no es solo la energía captada del
53
sol la que el reflector refleja si no que también la que
regresa del absorbedor.
Cuando la tubería es de PVC, Fierro Fundido, o algún
otro material que no absorbe o que pudiera absorber
mayor radiación entonces se pintara de color negro, o en
el mejor de los casos se aplicara alguna superficie
selectiva
2.- Las funciones principales del reflector son las
de enviar la mayor cantidad posible de energía recibida
al absorbedor, este absorbedor solo trabaja con
radiación directa. Aunque algunos investigadores afirman
que dependiendo de la perfección del material con que
este hecho en algunas ocasiones puede llegar a utilizar
la radiación difusa
Los materiales con que se construye esta parte del
colector son espejos, laminas de acero inoxidable
(comercialmente las llaman estilo espejo), y cualquier
material capaz de tener la capacidad de reflejar la
mayor cantidad de luz.
En el caso de los espejos es muy caro comprar
espejos con superficies cilindricas, parabólicos, etc.
Para abatir los costos algunos diseñadores usan
segmentos de espejos para esta solución, como lo
muestra la siguiente figura, la aplicación de este
54
colector de concentración es fotovoltaica, es decir en
el absorbedor se han colocado fotoceldas, pero para los
fines de esta tesis, colocaríamos tubería de cristal o
de algún otro material.
Imagen 14
En la Imagen 14, se puede apreciar el tamaño que
tiene el hombre junto a este colector de concentración.
55
Existen muy variados diseños y formas de concentrar
la energía en un punto o en una linea, las imágenes
siguientes presentan los colectores de concentración mas
comunes:
CONCENTRACIÓN TÍPICA DE MEDIO CIRCULO
Imagen 15
Imagen 15, Concentración típica de medio circulo :
Este tipo de colector es el mas común y conveniente por
su fácil fabricación, orientación y rendimiento.
Además este tipo de colector puede ser estático es
decir no contar con seguimiento del sol, pero deberá
tener la inclinación para recibir la radiación normal o
perpendicular a su plano. Esta característica la pueden
tener la mayoría de los colectores dependiendo de su
diseño.
56
Imagen 16 Imagen 17
CONCENTRACIÓN DE DOBLE PARABOLA CONCENTRACIÓN CON LENTES
FRESNEL
Imagen 17: Concentración con Lentes Fresnel : Los
lentes fresnel son tipos de cristales que concentran la
radiación en un solo punto, esto lo pueden hacer debido
al acomodo que tienen sus cortes
Los colectores que usan lentes fresnel son costosos
por el tipo de cristal que utilizan, este cristal es
cortado en la parte del espesor y es ahi donde se hace
la desviación de la radiación hacia un solo punto,
La Imagen 18 muestra la manera en que concentran la
radiación los Lentes Fresnel. Se puede observar que
estos concentran la energia debido a la manera en que ha
57
sido cortado el cristal desviando la energía recibida a
un solo punto, el absorbedor.
Existen asociaciones dedicadas exclusivamente a este
tipo de concentrador, porque en teoría son capaces de
concentrar la energía mas efectivamente que cualquier
otro, el problema son los cortes que se le deben de
aplicar al cristal en el canto de este.
Imagen 18
Las imágenes siguientes muestran diferentes tipos de
colectores de concentración sin partes movibles o con
partes movibles, algunos de estos siguen la trayectoria
del sol por medio del movimiento del absorbedor y otros
la siguen por medio de la disposición de los
reflectores, aunque el principio es el mismo, seguir la
trayectoria del sol y/o concentrar la energía en un
punto o en un a linea, el factor de concentración varia
58
por diversos factores como seria : el área destinada a
la colección de la energía en el reflector o espejo, la
forma del colector, la inclinación del colector, el área
destinada al absorbedor.
El mejor hasta ahora según investigadores del tema
es el Cilindro Parabólico que es un reflector de medio
circulo en ambos lados del receptor (Imagen 24).
Imagen 19 Imagen 20
Imagen 21 Imagen 23
59
Rayos solares
Absorbedor
Cilindrico parabólico
Imagen 2 4
os
Espejo
Pa rabó l ico Absorbedor Compues to as imétr ico
Imagen 2 5
Rayos solares
Espejo en V
Imagen 2 6
Rayos
Espejo
Paraboloide de revolución
Rayos solares
Absorbedor
Cilindrico parabólico
Imagen 2 7
Imagen 2 8
60
La Imagen 29 muestra el único tipo de concentrador
en estas imágenes que el absorbedor es movible, no es
muy practico ya que al tener piezas movibles cualquier
sistema será menos durable, y definitivamente no es la
mejor opción, aunque se tiene la ventaja de que el
concentrador es plano, y podrán ser espejos típicos sin
ninguna curvatura especial y de hechura comercial.
Rayos ^ ^ Movimiento v \ # del absorbedor
Yv /" — Absorbedor móvil
Imagen 2 9
La construcción en ninguno de los colectores de
concentración presentados en las imágenes anteriores
requiere de alto conocimiento en alguna materia
especializada, la mano de obra en México es abundante y
por lo tanto relativamente económica.
Las Imágenes 14 a la 29 son referencia suficiente
para realizar la construcción de los colectores de
concentración.
61
Cualquiera que sea su aplicación cuando se trata de
colectores de concentración, la limpieza del reflector
resulta indispensable, ya que reducirá
significativamente le recepción de la energia, por lo
tanto dependiendo de la localización geográfica donde se
sitúe, se deberá de llevar un programa de mantenimiento
continuo, es decir semanal, quincenal, o en mejor de los
casos mensual.
La periodicidad del mantenimiento del reflector
dependerá de la calidad del aire de la región, por
ejemplo, en la Cd. de México. La limpieza deberla de ser
quincenal, para remover el polvo acumulado en la
superficie del reflector.
Otro ejemplo seria en lugares donde existen caminos
de tercerías, en estos lugares generalmente hay
partículas suspendidas en el aire, no de plomo con es el
caso de la Cd. de México, pero muy frecuentemente de
tierra, y si hay establos, granjas, existirán partículas
de excremento suspendidas.
Esa es la razón por la cual se deben de mantener
libres de polvo y cualquier otra suciedad.
Algunos diseñadores ven esto como una desventaja y
han diseñado sistemas de montaje que giran los
colectores de concentración cuando no están en uso, los
62
giran para colocarlos dentro de su cubierta, de esta
manera se logra reducir el mantenimiento del absorbedor.
Esta desventaja es compensada con creces por la alta
concentración que se puede recibir en el punto o en una
linea del sistema.
63
3.3.2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COLECTORES DE
CONCENTRACIÓN
La función del colector solar de concentración es
"concentrar" la energía recibida en un punto o en una
linea, en este tipo de colectores los materiales no son
tan variados y abundantes como en los colectores planos,
en los colectores de concentración no se pueden variar
tanto los materiales ya que no existen muchos materiales
capaces de llevar a cabo el objetivo de reflejar la
mayor cantidad de energía recibida en un punto o en un
linea, es difícil tener materiales de baja calidad en
este tipo de colectores.
El problema consiste en proveer al colector la
curvatura exacta necesaria para recibir la cantidad de
energía requerida, una curva mal construida, desviarla
la energía recibida muy probablemente a otro punto que
no sea el absorbedor.
El proceso de construcción es en esencia el doblez o
rolado de la lamina de acero inoxidable o el uso de
espejos curvos que son difíciles de encontrar, la opción
mas viable son las laminas de acero inoxidable estilo
espejo, estas proveen una superficie casi perfecta como
la de un espejo.
64
Para darle la curvatura a la lamina de acero, se
deberá de hacer en un taller de doblaje de lamina, con
la maquinaria especializada se alcanzan las curvaturas
requeridas p.or el sistema, que en algunos casos son
parábolas en otros medios círculos, y dependiendo de la
aplicación del sistema será la curvatura que se le
aplique a la lamina.
Las siguientes imágenes muestran diferentes maneras
de construir colectores de concentración :
Imagen 30
En la Imagen 30 se muestran los elementos
necesarios para el colector de concentración incluyendo
aspectos que no son de este capitulo como son los
soportes y el aislamiento de la tubería, estos se verán
en sus capítulos correspondientes, 3.4 Montaje de
65
Colectores Planos y de Concentración y Capitulo 5.-
Sistemas de calefacción de agua, respectivamente.
En la Imagen 31 se muestra un sistema que esta
actualmente funcionando, el sistema esta basado en la
concentración en un solo punto, en esta torre se genera
electricidad, pero definitivamente, se podría usar para
nuestro propósito calentar agua utilizando Energía Solar
desde luego que seria para fines industriales debida a
la alta temperatura que se podria alcanzar.
Imagen 31
66
Como se puede ver en la Imagen 31, la concentración
se lleva a cabo en la torre donde esta colocado el
absorbedor, y los reflectores están colocados alrededor
de la torre, para que con el recorrido del sol durante
el dia se lleve a cabo la concentración todas las horas
de sol que existen en cada dia.
La Imagen 32 muestra un colectores de concentración
en una linea, estos ocupan como absorbedor un fino tubo
de cristal templado, que es capaz de soportar
temperaturas muy altas, se puede apreciar en esta imagen
que el reflector no es de cristal o de un tipo de
plástico que refleja una gran cantidad de imagen
recibida.
Imagen 32
67
3.4 MONTAJE DE COLECTORES PLANOS Y DE
CONCENTRACIÓN.
El montaje de colectores planos y de concentración
se provee por medio de una estructura generalmente de
ángulo de fierro, de 1" x 1" o similar, la función es
dar al colector apoyo uniforme contra carga muerta que
en si es el propio colector normalmente el peso del
colector ya en servicio es decir cargado con el liquido
de trabajo, es del orden de 20 a 40 kilos, es tan amplio
el rango, por ejemplo si se construye con aluminio en
vez de madera, si y el colector es de concentración o
plano.
Los elementos de sujeción podrán ser tornillos,
pijas, taquetes y remaches, dependiendo del material en
uso y de la ubicación definitiva del colector, en
algunas ocasiones no requiere mas que un lugar firma
donde apoyarse, si es que no va a estar sujeto a cargas
accidentales como viento ó nieve
La Imagen 33 muestra un tipo de elemento de sujeción
para un colector plano, este tipo de elemento de
sujeción puede variar dependiendo de la manera en que
este construido el colector, es decir los materiales y
la forma del colector.
68
Imagen 33
En la Imagen 33 podemos ver que los elementos de
sujeción son tornillos, y que el elemento que soporta al
colector es una barra de cierto perfil a lo largo de la
parte superior o inferior del colector.
También tiene tuercas integradas en el perfil para
recibir los tornillos del colector.
Y de esta manera es como se ha sujetado este
colector, no es la única manera, existen otro tipo de
soportes que solo hacen descansar al colector sobre una
estructura, esta estructura deberá tener las medidas
exteriores del colector, para que pueda embonar cuando
sea montado.
69
La Imagen 34 muestra otro método y los elementos de
sujeción entre colectores planos:
Imagen 34
Como podemos ver, básicamente los elementos de
sujeción siguen siendo tornillos y placas de soporte.
También se muestra como seria la interconexión entre
dos colectores.
Los tornillos como elementos de sujeción son muy
aceptables debido a que se encuentran fácilmente en
todas sus medidas y se pueden adherir con soldadura en
algunos casos, o con algún otro tipo de material.
70
El soporte que presenta la Imagen 34 son
sencillamente laminas a lo largo de la parte superior e
inferior de los colectores
La Imagen 35 muestra los elementos de sujeción,
estructura de apoyo de un colector de concentración que
brinda soporte para los reflectores y el absorbedor :
Los elementos de apoyo son cuatro, dos en cada
costado, no fue necesario proveer al colector con mayor
apoyo ya que no es pesado y no esta sujeto a otras
cargas mas que a las de su propio peso.
71
CAPITULO
CUATRO
SISTEMAS DE CALEFACCIÓN DE
AGUA
72
4 . 1 SISTEMAS DE AUTOCONTENIDO
Los sistemas de construcción de autocontenido se
revisaron en el Capitulo de Colectores Solares, estos
colectores almacenan el liquido de trabajo en su
interior.
En ningún caso el tamaño de los tubos deberá exceder
15 cm. como diámetro máximo a utilizar, en el caso de
que se excedan estos valores no se podrá basar el
calculo en las tablas descritas anteriormente, ya que el
área de contacto y la cantidad de agua manejada no esta
dentro de las proporciones en las cuales se puede
calentar efectivamente la cantidad de agua almacenada.
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Imagen 37
La Imagen 37 muestra como deberá de ser la conexión
de los tubos, para nuestro ejemplo los tubos de
almacenamiento tendrán un diámetro máximo de 15 cm.
73
De manera que el calculo para que el sistema sea
suficiente, de acuerdo a las personas o numero de
usuarios se deberán considerar los siguientes puntos :
1.- Numero de personas o usuarios
2.- Capacidad de almacenamiento de los
colectores.
Con esta base podemos diseñar un sistema de
autocontenido.
Ejemplo :
Se necesita proveer de agua caliente a una
familia de 4 personas, en el mueble de la
regadera a una temperatura promedio de 55
Grados Centígradps utilizando colectores de
autocontenido :
Datos
Personas o usuarios a satisfacer = 4
Muebles : Regadera
Temperatura : 55 Grados Centígrados
Tipo de colector : Autocontenido
74
Solución :
Utilizando la Tabla 6 propuesta de valores
moderados la capacidad en litros del colector
lo obtendremos de la siguiente manera :
Cantidad de agua caliente requerida para 8
personas = Cl
Cl= 300 litros
Cantidad de agua caliente requerida para 4
personas = C2
C2= 300 / 2 = 150 litros.
Entonces requerimos que nuestros colectores
sean capaces de almacenar 150 litros, para esta
solución tendremos que calcular el área de los
colectores y el volumen de los tubos que se le
colocaran a los colectores, entonces lo hariamos
asi:
Area requerida para 4 (150 Its) personas a 55
Grados Centígrados promedio según Tabla 2 de
capacidad de calentamiento de agua por metro
cuadrado = 4 m2
75
Con esta área calentamos 142 litros y
necesitamos 150, aunque faltan 8 litros para cubrir
la demanda de 4 personas, se consideraran
despreciables por ser mínima la diferencia, lo que
sigue entonces es encontrar el diámetro de tubo que
alcance los 150 litros en longitudes de 2 metros
máximo, esto es para no crear problemas con la
transportación, fabricación y montaje.
Entonces suponiendo que nuestros colectores
serán de 2 metros máximo de longitud, y de 1 metro
de ancho ( El diámetro es propuesto), debemos de
proponer diámetros hasta encontrar el volumen
requerido por nuestro sistema.
La tubería no deberá exceder de 15 centímetros
de diámetro, debido a que si se excede esta
dimensión el sistema tardará mas tiempo en alcanzar
su temperatura de trabajo.
Los tubos deberán de estar separados mínimo ±
15 centímetros uno de otro así como de los costados
del colector, para independizar la colección de
energía de cada tubo.
Entonces la primer proposición son tubos de 15
cm de PVC.
76
El volumen que obtenemos en litros de este tipo
de tubos por cada tubo esta determinada por la
siguiente expresión :
V = 3.1569 x .0752m x 2m = 0.035m3,35.34 litros
Si necesitamos 150 litros (.15 m3), entonces :
150 / 35.34 = 4.36 Tubos
Que por cuestiones practicas se harían 6 tubos,
para colocar 3 tubos en cada colector.
Este calculo fue para encontrar la cantidad de
tubos requeridos para satisfacer la demanda de
volumen de agua, pero aun no se ha determinado la
cantidad de área requerida para alcanzar la
temperatura requerida de 55 Grados Centígrados.
Hasta ahora se ha calculado el área en donde se
colocaran los tubos para cubrir la demanda de
volumen de agua, y para encontrar el área requerida
de colección de energía solar usaremos la tabla que
muestra la temperatura que alcanzan los litros en
función del área de colección de colectores de
autocontenido. Que especifica que para 55 Grados
Centígrados y 150 litros se necesitan 4 m2, para
calentar 142 litros, aunque no son exactamente los
150 que necesitamos, esta diferencia solo afecta el
77
5% que para este caso practico lo consideraremos
despreciable.
Entonces necesitamos 4m2 de área de colección
de energía solar que deberá de ser provista por 2
colectores de 2m x lm, asi obtenemos los 4m2
requeridos, y satisfacemos la cantidad de litros
requeridos.
Como estamos excediendo la cantidad de agua
debido al numero de tubos colocados en cada
colector, se hará un ajuste de acuerdo al volumen de
agua.
El volumen de agua manejado por cada tubo es de
35.34 litros, pero como colocaremos 6 tubos ( 3 en
cada colector ), nuestro volumen de agua a calentar
es de :
6 tubos x 35.34 litros = 212.04 litros,
Este sistema estará excedido por 62.04 litros,
entonces de acuerdo a la tabla de temperatura y
capacidad de almacenamiento, cada metro cuadrado es
capaz de calentar a 55 Grados Centígrados, 35.5
litros, entonces si estamos excedidos por 62.04
litros, necesitaremos 2 m2 mas (un colector
adicional), ya que 35.5 x 2 = 71 litros.
78
Y de esta manera queda determinado la cantidad
de colectores y las medidas en área que deberán
tener para cubrir la demanda de calefacción de agua
para 4 personas o usuarios.
El arreglo de este sistema podria ser como lo
muestra la Imagen 38 :
Imagen 3 8
Se puede apreciar que el arreglo se debe de hacer
para la conexión de los dos colectores de autocontenido.
El montaje de este tipo de colector debe de ser
mucho mas fuerte que el montaje de un colector plano o
de concentración ya que el colector de autocontenido
tiene integrado el tanque de almacenamiento, y debido a
esto pesa mucho mas.
79
Para nuestro ejemplo descrito anteriormente, la
estructura que se deberá diseñar para el montaje de los
colectores de concentración, tiene que soportar la suma
de las siguientes cargas :
Carga del liquido de trabajo 212 kilos
Carga del peso propio 50 kilos
Carga accidentales 75 kilos
La carga del peso propio dependerá de que material
se haga la estructura de montaje, pero en promedio es lo
que pesa.
Las cargas accidentales se consideran como las
cargas extras a las que esta expuesto el sistema, como
viento y nieve, y entre mas pesado sea nuestro sistema,
mas robusta tendrá que ser nuestra estructura de
soporte, ya que el momento (Mx),que se produce cuando se
esta expuesto al viento es mayor.
80
El recorrido del agua desde el tinaco a través del
sistema se puede apreciar en la figura 39:
Imagen 3 9
Como se puede observar en la Imagen 39 este sistema
funciona con gravedad, del "tinaco" sale el agua fria
hacia el colector donde se calienta.
Como se muestra en la Imagen 40 este sistema no
cuenta con tanque de almacenamiento, lo cual lo hace mas
fácil de construir, pero con ese beneficio se tiene la
desventaja de que tiene un rendimiento menor que los
sistemas de termosifón.
81
La Imagen 40 muestra un sistema de autocontenido que
ha sido construido en laboratorios de prueba y el
sistema esta en servicio actualmente :
Imagen 4 0
Este sistema de autocontenido, contiene 7 tubos de
almacenamiento pintados de color negro, con sistema de
sujeción al piso, aislado en los costados y en la parte
posterior y con cubierta de vidrio al frente.
La Imagen 41 muestra la manera mas económica de
construir un colector de autocontenido, tiene un
rendimiento bajo debido a los materiales utilizados y a
la manera en la que trabaja, aunque puede ser la
82
solución para personas de bajos recursos económicos, no
es recomendable porque alcanza temperaturas
relativamente bajas, es decir se tendría que utilizar
solamente el agua que sale del sistema para uso personal
sin mezclarla con agua fria.
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<GAJA METÁLICA O PE MAPERA CO^ AISLAMIENTO TEI^VMCD fAJTE^'OR
Imagen 41
Como se puede ver se utilizan materiales de bajo
costo y por las noches se cierra la tapa para encerrar
la energía acumulada, es decir, para no tener
decrementos de temperatura.
La Imagen 42 muestra uno de los sistemas de
autocontenido con ligeras variaciones en su
83
construcción, como por ejemplo la cubierta esta sellada
todo el tiempo que dure la vida útil de este sistema.
Imagen 42
En este tipo de sistemas se registran temperaturas
bajas, debido a que el volumen de agua es demasiado en
relación con la cantidad de área de colección, aunque
sigue siendo más económico que otros sistemas de
Calefacción de Agua por medio de Energía Solar.
84
Imagen 4 3
La Imagen 43 muestra una adaptación al sistema
mostrado en la Imagen 42, se instalaron aletas
reflejantes a los costados para incrementar la captación
de Energía Solar en la misma área, en otras palabras se
intento un híbrido de un colector de concentración con
un colector de autocontenido.
Aunque estas adaptaciones si incrementaron la
temperatura final, sigue siendo no satisfactoria para
ser mezclada con agua fria, de manera que se deberá de
usar el agua calentada dentro de este sistema para el
servicio sin ser mezclada.
85
4 . 2 SISTEMAS TERMOSIFÓN.
Funcionamiento : Los sistemas de termosifón trabajan
por diferencia de densidades, usando la diferencia de
temperatura para generar el movimiento del agua a través
del sistema.
El sistema básicamente es un radiador como el que se
encuentra en los automóviles, el agua con mayor
temperatura sube y el agua con menor temperatura baja,
esta es la diferencia de densidades por medio de la cual
el sistema trabaja.
El recorrido del agua en este sistema es el
siguiente :
1.- Sale el agua fria del tinaco hacia la parte de
mas baja del tanque de almacenamiento del sistema de
calefacción.
2.- Del Tanque de Almacenamiento sale el agua fria
hacia la parte mas baja del colector solar.
3.- Dentro del colector solar el agua entra fria, y
a medida que el agua eleva su temperatura, va subiendo a
través del colector hasta alcanzar la salida del
colector.
86
4.- Salida del agua caliente del colector hacia la
parte mas alta del tanque de almacenamiento.
5.- Salida del agua caliente hacia el boiler
existente o directo a la tubería caliente para servicio
de los usuarios.
Todas las salidas de agua caliente deberán estar
perfectamente aisladas contra el medio ambiente ya que
en esta parte si no se aisla se presenta perdidas de
temperatura en esa parte y repercute en el rendimiento
general del sistema.
Como aislante en esta parte se puede usar fibra de
vidrio, poliuretano en espuma, etc. lo mas recomendado
es usar poliuretano en espuma ya que se ofrece en
diámetros comunes de tubería, y para su colocación solo
se cubre la tubería y se fija con una cinta que esta
incluida en su venta.
En la Imagen 43 se indican las partes de las que
consta este tipo de sistemas :
87
Agua, fría
r Agua caliente
Tanque de almacenamiento de 60 o 70 litros (ltn más alto que el colector aprox).
Agua 'fría
Imagen 4 3
Partes de un sistema termosifón :
1.- Colector Solar (Plano o de
Concentración).
2.- Tanque de almacenamiento.
3.- Estructura de Soporte del
tanque.
4.- Tubería de Agua Caliente
5.- Tuberia de Agua Fria
88
1.- Colector Solar (Plano o de Concentración) : En
esta parte del sistema se alimenta al colector con agua
fría, una vez que se calentó, por diferencia de
temperatura regresa al tanque de almacenamiento. Este
tipo de colectores se especifico en los capítulos
anteriores.
2.- Tanque de almacenamiento : Los materiales usados
para este fin podrán ser "tinacos" de lamina
galvanizada, recipientes de concreto o de tabique, no se
deberá usar los "tinacos" comerciales fabricados de
plástico, ya que se deformaran con los cambios de
temperatura, dichos "tinacos" están diseñados para
soportar temperaturas de hasta 50 Grados Centígrados, y
generalmente los sistemas de colección de energía solar
para calentar agua caliente su temperatura mínima es del
orden de 45 Grados Centígrados de manera que en
cualquier momento se superaran los 50 Grados Centígrados
y en consecuencia el tanque sufrirá cambios de forma y
muy posiblemente fugas en sus conexiones y juntas.
Los tanques de lamina galvanizada son elementos
ideales para este fin ya que soportan altas temperaturas
y se les puede perforar en donde se desee.
Este tanque deberá de ser térmico, es decir deberá
de estar aislado contra cambios de temperatura del medio
ambiente, esto se puede lograr, con diferentes tipos de
89
materiales como son : Fibra de vidrio, Espuma de
poliuretano, Unisel, etc.
Este aislamiento es con el fin de que el agua
caliente conserve su temperatura.
3.- Estructura de Soporte del Tanque de
almacenamiento : La estructura de soporte puede ser
alguna base de concreto o puede ser hecha exprofesa de
ángulo de acero para este fin, debe de ser capaz de
soportar el peso del tanque mas un factor de seguridad
por temblor, por que este tipo de sistemas debe de estar
colocado en la parte mas alta para que pueda bajar por
gravedad el agua.
Además la estructura de soporte del tanque de
almacenamiento deberá de estar colocada muy cerca del
"tinaco" actual, para que las longitudes en tubería no
sean mas largos y el costo se incremente debido a mayor
cantidad de tubería utilizada.
La estructura de soporte del tanque de
almacenamiento es practico que también sea para el
colector solar.
90
4.- Tubería de Agua Caliente : Lleva dos tuberías de
agua caliente, una va del colector al tanque de
almacenamiento, la otra va del tanque de almacenamiento
ala tubería de servicio de agua caliente o al boiler
5.- Tubería de Agua Fría : Lleva dos tuberías de
agua fría, una es para alimentar el tanque de
almacenamiento, la otra es para alimentar al colector.
La diferencia de altura que existe entre el colector
y el tanque puede variar de diseñador en diseñador,
algunos de ellos proponen 60 centímetros mínimo, algunos
otros recomiendan mínimo 1 metro, en las empresas que se
dedican a vender este tipo de colectores usan hasta 50
centímetros de diferencia de alturas, si el colector se
va a construir en algún taller de plomería y/o
carpintería se recomienda que se use 1 metro de
diferencia de altura entre el colector y el tanque de
almacenamiento para asegurar el recorrido del agua
Ya el sistema completo trabajando en una casa
habitación y dando servicio a algunos muebles de baño es
mostrado en la Imagen 45, donde se indica con flechas el
recorrido del agua en ese sistema.
91
1.- Tinaco típico de agua.
2.- Tanque de almacenamiento de agua caliente
3.- Colector Solar plano.
4.- Mueble de servicio, regadera
5.- Mueble de servicio, fregadero
Calentador solar Tanque de almacenamiento de agua calentada solarmenle.
Tanque de agua de servicio
Azotea
Agua de la red de distribución
Imagen 4 6
Como se alimenta el agua a todo el sistema:
a.- Se alimenta agua fria a la parte mas baja del
tanque de almacenamiento,
b.- Se alimenta el agua mas fria al colector solar,
c - Una vez que el agua incremento su temperatura
regresa a la parte mas alta del tanque de
almacenamiento.
d.- Distribución de agua caliente a la tubería de
servicio.
Para el dimensionamiento del sistema nos basaremos
en las tablas del 1 al 6, mostradas en este Capitulo en
la sección 4.1 Calculo y Dimensionamiento del Sistema.
-Ejemplo Practico-
Del dimensionamiento de un Sistema de Calefacción de
agua utilizando Energía Solar y Colectores Planos.
Se necesita proveer de agua caliente a una familia
de 8 personas, en el mueble de la regadera a una
temperatura promedio de 60 Grados Centígrados utilizando
Colectores de Planos :
93
Datos :
Usuarios del sistema : 8 personas.
Tipo de colector : Plano.
Temperatura requerida: 60 Grados Centígrados.
Muebles a servir : Regadera
Solución :
Utilizando la Tabla 6, determinamos la
capacidad que deberá tener el tanque de almacenamiento
de acuerdo al numero de usuarios.
En este problema se requiere abastecer a 8
personas en el mueble de la regadera, entonces usando la
Tabla 6, encontramos que necesitamos 300 litros para
abastecer a 8 personas, entonces el tamaño del tanque
deberá de ser de 300 litros, de esta capacidad son
comunes en lamina galvanizada, de manera que no hay que
hacer ningún ajuste en cuanto a la variación en el
tamaño del tanque.
Ahora encontraremos la cantidad necesaria para
satisfacer a los usuarios, y para alcanzar la
temperatura requerida.
Utilizando la Tabla 1, encontramos el área
requerida por el sistema.
94
Usamos la columna de 60 Grados Centígrados y
como necesitamos 300 litros, buscamos 300 litros en esa
tabla.
No hay ninguna coincidencia, entonces encontraremos el
área requerida con una regla de tres, como sigue :
A 495 litros le corresponden 8m2, cuantos le
corresponden a 300?
Entonces hacemos la siguiente operación :
Area en m2 = 300 * 8 / 495 = 4.84 m2
Pero no es practico construir colectores de esa
medida, entonces redondearemos esta área a 5 m2.
Podríamos construir 5 colectores de 1 m2 cada uno,
pero tampoco es practico, lo mas recomendable seria
construir 2 colectores, de medidas iguales, entonces
tendríamos colectores de 2.5 m2 de área para cada uno,
para cubrir esta área por cada colector deberemos de
hacer cada colector de 1 m x 2.5 m, y asi tendremos los
5 metros cuadrados cubiertos por los colectores solares
planos.
Como lo mencionamos anteriormente todos los
colectores deberán de estar orientados al sur para
recibir la mayor cantidad de radiación.
95
No es recomendable orientar los colectores hacia
algún otro lugar que no sea el sur, aunque se puede
hacer por cuestiones de estética se deberán de agregar
mas colectores para lograr el mismo efecto que si
estuvieran orientados al sur.
La Imagen 47 muestra un sistema de termosifón
construido en laboratorio y que esta actualmente en
servicio.
Imagen 47
Este sistema es representativo de cómo quedarla la
instalación de un sistema que utiliza Energía Solar para
calentar agua, no se puede apreciar en esta imagen si el
tanque de almacenamiento esta aislado para que no sufra
decrementos de temperatura durante la noche, lo que si
96
se puede apreciar es que la tubería de regreso al tanque
de almacenamiento no esta aislada, y esta tubería deberá
dé estar aislada para que una vez que alcance la
temperatura requerida no sufra decrementos de
temperatura en su regreso al tanque de almacenamiento,
asimismo la tubería que va hacia el servicio del agua
caliente, esta deberá de estar aislada en su camino
hacia el boiler adicional existente.
De otra manera el rendimiento del sistema se vería
reducido hasta en un 15%, ya que durante la noche las
temperaturas son muy bajas, y estas afectan a la tubería
que no este aislada de los cambios de temperatura del
medio ambiente.
Solo deberán estar aisladas las tuberías que
conduzcan agua caliente, como la que va del tanque del
almacenamiento al colector solar y la que va del tanque
de almacenamiento al sistema de agua caliente, las
tuberías que no conducen agua caliente no tiene caso que
sean aisladas ya que no se lograra incrementar la
temperatura de ninguna manera aislándolas, y sin embargo
si tendrán costo adicional que no repercutirá en ningún
beneficio al sistema.
97
4.3 CALCULO Y DIMENSIONAMIENTO
DEL SISTEMA
Existen distintas formas de calentar el agua
mediante el uso de la energía solar, la más simple de
todas es extender una manguera de jardin suficientemente
larga expuesta a la radiación solar, conectada al grifo
en uno de sus extremos, de tal manera que ésta se
mantenga siempre llena de agua para ser calentada y
luego recibirla donde se vaya a utilizar. Desde luego
esta es una forma poco usual y práctica de aprovechar la
Energía Solar.
Las medidas que tomara el colector están
determinadas prácticamente solo por la demanda del
sistema basada en el numero de usuarios y la radiación
del lugar.
La Tabla 1 muestra la capacidad de calentamiento de
agua por metro cuadrado a una incidencia promedio en la
Cd. de México, para colectores planos.
98
Tabla 1
M 2 de Colector
Plano 2 4 8
12 16 20 24
40 ° 248 495 991
1486 1982 2478 2974
Litros
45 ° 198 396 793
1189 1586 1982 2379
i de agua caliente por dia
50 ° 165 330 661 991
1322 1652 1982
55 ° 142 283 556 850
1133 1416 1699
60 ° 124 248 4 95 743 991
1239 1486
65 ° 110 220 440 660 881
1101 1322
70 ° 100 200 400 594 793 991
1189
La Tabla 2 muestra la capacidad de calentamiento de
agua por metro cuadrado a una incidencia promedio en la
Cd. de México, para colectores de autocontenido, estos h
valores son el 50% de los valores que son para
colectores planos, porque este tipo de colectores tienen
un rendimiento menor, por el volumen de agua que manejan E
en su interior, además que no cuentan con tanque de
almacenamiento, los tubos deben de ser mas amplios para
almacenar el agua de servicio.
Tabla 2
Autocontenido 2 — : —
-4-
12
20
40 °
2TS WE 743 33T
T7239 T7W7
4 5 ° —gg
T9H 397 5V5 793 mi
I7T9Ü
50 ° "~B3" TÜ5 331 ¥96 6FT B25 391
55 7T
T¥2 27H ¥25 5F7 7Ü8" H50
60 F2
T24~ 2¥8 372 TO
62Ü 733
65 c
-55 TTÜ 22Ü 33Ü ¥¥T 551 55T
70 5ü
Iüü 2Ü01 297 337 ¥95
99
Explicación de las tablas de calentamiento de litros
de agua caliente por dia :
En la columna de m2 se muestra el área que deberán
cubrir los colectores para satisfacer la demanda del
sistema.
Las columnas de litros de agua caliente por dia
muestra cuantos litros se calentaran a la temperatura de
cada columna.
Por ejemplo, si queremos calentar 400 litros de agua
a una temperatura de 60 Grados Centigrados, utilizando
colectores planos, usaremos la columna de 60 Grados
Centigrados, de la Tabla 1 correspondiente y nuestro
valor mas aproximado son 495 litros, estos valores ya
incluyen un factor de seguridad, de manera que no se
deberán incrementar en ningún porcentaje.
Con este valor de 8 m2 calentaremos 4 95 litros de
agua en un dia, pero se necesitan solo 400, este valor
lo encontramos interpolando los valores obtenidos, la
interpolación de hace de la siguiente manera :
Regla de tres sencilla.
Si a 8 m2 le corresponden 4 95 cuantos le
corresponderán a 400?
La operación seria 400 x 8 / 495 = 6.46 m2
100
Pero como seria poco practico y muy problemático
diseñar una superficie de exactamente esa área, nuestro
valor lo redondearemos a 7m2 de área requerida para
cubrir la necesidad de 400 litros de agua diario.
Esta área podría ser cubierta con 2 colectores de
3.5m x lm
Las medidas de los colectores para su fácil
transportación, colocación, reparación y mantenimiento
se deberán de diseñar de medidas en las que sean
manejables debido a que los colectores de dimensiones
que superen los 3 m x 2m, empiezan a presentar problemas
como son : difícil manejo, colocación, transporte.
De manera que para satisfacer la demanda de
captación de energía por el sistema se han de colocar
los colectores necesarios para cubrir el área
necesitada, estos se conectaran en serie, con una sola
entrada del liquido de trabajo y una sola salida del
mismo liquido como lo muestra la Imagen 36 :
Imagen 3 6
101
De esta manera el sistema sin importar por donde
ingresa el agua al sistema de colección tendrá el mismo
recorrido el agua por tener una sola entrada y una sola
salida, ya sea el sistema termosifón, bombeo,
autocontenido, o de concentración, este sistema siempre
asegurara el calentamiento uniforme del liquido de
trabajo, y lo mas importante, en la salida del sistema
de colección será el liquido que mayor temperatura haya
alcanzado.
El numero de usuarios determinara al área de
colección siendo 1 m2 x persona, es decir, en una
familia de 4 personas, el área de colección deberá de
ser de 4 m2, dividiendo los colectores en 2 colectores
de 1 x 2 m.
Aunque no siempre todos los diseñadores opinan lo
mismo, es una manera altamente segura de cubrir las
necesidades si se usa ese tipo de regla (lm2 x persona),
definitivamente el costo será mas alto que si se diseña
de acuerdo a las tablas mostradas en las siguientes
hojas de este capitulo.
La Tabla 3 muestra el área que deberá cubrir el
sistema dependiendo del numero de personas y aplicación.
102
Tabla 3
Area que deberá
cubrir el sistema en M2
6 9 12 15 18
Capacidad en numero de personas a las
Baño de regadera
(#
personas)
6 9 12 15 18
Baño de regadera
y fregadero (# personas)
4 6 8 10 12
Baño de regadera
fregadero y lavadora
(# personas)
3 4 6 7 9
Explicación :
El área que deberá cubrir el sistema en m2, es la
superficie que se deberá proporcionar a los colectores,
es decir, de esta área se deberán de construir los
colectores en el caso de que se compren prefabricados,
se deberá cubrir esta área.
Baño de regadera (# de personas) : Es el numero de
personas a las que dará servicio el sistema en regadera
aplicando el área especificada de colección de energia.
Baño de regadera y fregadero (# de personas) : Es el
numero de personas a las que dará servicio el sistema en
103
regadera y fregadero aplicando el área especificada de
colección de energía.
Baño de regadera, fregadero y lavadora (# personas):
Es el numero de personas a las que dará servicio el
sistema en regadera, fregadero y lavadora aplicando el
área especificada de colección de energía.
Como podemos ver el numero de usuarios se disminuye
notablemente cuando se incrementan los servicios, la
Tabla 3 esta basada en consumos promedio y los valores
mostrados pueden varias dependiendo de las costumbres de
cada familia.
El tanque puede tener cierta tolerancia a cuanto a
la capacidad de almacenamiento, pero no deberá tener
tolerancias en cuanto a la capacidad de almacenar
líquidos con altas temperaturas, este no deberá de
sufrir deformaciones a causa de altas temperaturas,
normalmente los tanques de almacenamiento o tinacos que
se venden en casas de materiales en México no son
capaces de soportar altas temperaturas.
La Tabla 4 muestra la capacidad con la que deberá
contar el tanque de almacenamiento para proveer servicio
y capacidad suficiente dependiendo de la demanda de
usuarios y muebles en servicio.
104
Tabla 4 Baño de
Capacidad del
tanque en litros
300 450 600 750 900
Baño de regadera
(# personas)
6 9
12 15 18
regadera y fregadero
(#
personas)
4 6 8 10 12
Baño de regadera, fregadero y
lavadora (# personas)
3 4 6 7 9
Se especifica que el requerimiento por persona, se
puede obtener fácilmente haciendo la siguiente
operación:
Si para 6 personas se requieren 300 litros para
obtener el requerimiento por persona se hace la división
siguiente :
6 personas / 300 litros = 50 litros por persona
Aunque algunas compañías diseñan sus sistemas con el
valor de 30 litros de agua caliente por persona,
suponiendo que este es su consumo, los sistemas que
fabrican generalmente son de mas alta calidad que los
construidos en casa o en algún taller de plomería o
carpintería.
105
Estos son variados porque las compañías conocen sus
colectores y las temperaturas reales que pueden estos
alcanzar bajo ciertas condiciones climáticas.
Pero si los colectores y los sistemas se construirán
por primera vez, entonces se recomienda usar los valores
arriba mencionados.
Si los colectores son construidos en algún taller de
plomería o de carpintería y se quiere usar los valores
que usan las compañías que se dedican a fabricar
colectores, entonces los valores que deberán tomar son
los siguientes :
Tabla 5
Capacidad del tanqpe en litros
300
450
600
750 900
Bafboe regadera
(# personas
10
15
20
25 30
Baño de regadera y fregadero (# personas)
6
9
12
15 18
Baño de regadera, fregadero y
lavadora (# personas)
5
7
9 11 14
Los datos presentados en la Tabla 5 son optimistas,
ya que el numero de personas a las que da servicio el
mismo sistema casi se duplica con lo valores que usan
las compañías profesionales en sistemas de energía solar
106
si las precauciones y observaciones mencionadas en los
Capítulos de Diseño y Construcción son llevados a cabo,
se podria mejorar el numero de usuarios a los que da
servicio el sistema en un 20% mas.
Se podrían tomar valores un poco mas conservadores,
que estén entre los recomendados y los que las compañías
utilizan, la Tabla 6 muestra valores interpolados entre
las Tablas 4 y 5.'
Tabla 6
Capacidad del
tanque en litros
300
450
600
750 900
Baño de regadera
(# personas)
8 11
15
19 23
Baño de regadera
y fregadero (# personas)
5 7
9
11 14
Baño de regadera fregadero y
lavadora (# personas)
3
5
7
8 10
107
Tomaremos el primer valor para hacer comparaciones
entre las tres Tablas, seria como sigue :
En la Tabla 1 : Capacidad del tanque = 300 litros
Personas para regadera = 6 personas
En la Tabla 2 : Capacidad del tanque = 300 litros
Personas para regadera = 10 personas
En la Tabla 3 : Capacidad del tanque = 300 litros
Personas para regadera = 8 personas
Lo que podemos ver es que con la misma capacidad de
los tanques de almacenamiento, tenemos diferentes
capacidades en el servicio del sistema, en algunas
ocasiones son 6 otras 8 otras 10, lo que se recomienda
es usar los valores intermedios para cuestiones de
diseño, aunque también dependerá de los materiales que
se hayan usado para la construcción del colector, por
ejemplo si se uso madera para la construcción del
colector, se tendrá una baja considerable en la
capacidad para sellar y existirán problemas frecuentes
de fugas de aire caliente hacia el exterior.
Pero si se construyo de lamina galvanizada o algún
otro material que es fácil de sellar, el rendimiento del
colector será mas alto, y definitivamente alcanzar los
valores con los que se diseño será mas fácil.
108
Si el sistema es ubicado en algún lugar dentro de la
República Mexicana que no sea la Cuidad de México, los
valores de las Tablas 1 y 2, deberán de ser
multiplicados por los siguientes factores según sea la
Cuidad de la República, estos valores están en función
de la radiación promedio diaria recibida por Cuidad,
para algunos Ciudades que no estén dentro de la
siguiente lista se puede utilizar el mas cercano a dicha
Cuidad.
Cuidad
Cuidad Juárez.
Mexicali, B.C.
La Paz, B.C.
Hermosillo, Son.
Zacatecas, Zac.
Culiacán, Sin.
Torreón, Coah.
Chihuahua, Chih.
Guadalajara, Jal.
Durango, Dgo.
Guanajuato, Gto.
Aguascalientes, Ags.
Cuernavaca, Mor.
Oaxaca, Oax.
Acapulco, Gro.
Tlaxcala, Tlax.
F£
1.
1.
1.
1.
1.
1
1
1
1
' 1
1
1
1
1
1
1
actor
30
23
21
22
20
18
18
17
15
18
.15 ,
.14
.12
.08
.07
.05
109
Puebla, Pue.
Matamoros, Tamps.
Culiacán, Sin.
Mérida, Yuc.
Tuxtla, Gutz.
Saltillo, Coah.
Veracruz, Ver.
Monterrey, N.L.
1
1
0
0
0
0
0
0
07
07
98
95
95
95
93
89
Por ejemplo :
El sistema se instalara en Cuidad
Juárez, entonces el factor a usar
seria :
F = 1.30
Es decir se incrementa un 30 porciento
el sistema, y la Tabla 1 quedarla de
la siguiente manera :
Tabla 1 Modificada para Cuidad Juárez
M 2 de Colector
Plano 2 4 8
12 16 20 24
Litros de agua caliente por dia
40 ° 322 644
1288 1932 2577 3221 3866
45 ° 257 515
1031 1546 2062 2577 3093
50 ° 215 429 859
1288 1719 2148 2577
55 ° 185 368 723
1105 1473 1841 2209
60 ° 161 322 644 966
1288 1611 1932
65 ° 143 286 572 858
1145 1431 1719
70 ° 130 260 520 772
1031 1288 1546
110
Si el sistema se instalara en
Cuernavaca, Morelos, entonces el
factor a usar seria :
F = 1.12
Es decir se incrementa un 12 porciento
el sistema, y la Tabla 1 quedarla de
la siguiente manera :
Tabla 1 Modificada para Cuernavaca, Mor.
M 2 de Colector
Plano 2 4 8
12 16 20 24
Litros de agua caliente por dia
40 ° 278 554
1110 1664 2220 2775 3331
45 ° 222 444 888
1332 1776 2220 2664
50 ° 185 370 740
1110 1481 1850 2220
55 ° 159 317 623 952
1269 1586 1903
60 ° 139 278 554 832
1110 ! 1388
1664
65 ° 123 246 493 739 987
1233 1481
70 ° 112 224 448 665 888
1110 1332
111
CAPITULO CINCO
COSTO-BENEFICIO DEL SISTEMA
112
1 Costo - Benef ic io de l Sistema Convencional y de l Sistema de Energia Solar
El consumo promedio de Gas L.P. en una familia,
con un boiler automático, para calentar el agua, en
su aseo personal diario, es de aproximadamente el
±80 % del consumo total de dicho energético de la
capacidad de su tanque estacionario y el ±20 %
restante se consume en la elaboración de alimentos.
Entonces si logramos reducir ese ± 80% hasta lo
mas minimo posible, nos ahorraríamos el ±80% de este
energético, que redituarla en un ahorro significable
ya que el gasto de este energético es constante
debido al tipo de vida que estamos acostumbrados a
llevar, hoy en dia, la mayoría de los mexicanos usa
este energético para sus labores cotidianas de aseo,
y además este energético sufre constantemente
incrementos en costo debido a la permanente crisis
petrolera.
Sabiendo lo anterior y que este energético es
no renovable, que está en vias de extinción y que
puede ser sustituido por un energético que es
"gratis" y renovable, es necesario hacer un estudio
de lo que cuesta implantar un nuevo sistema que nos
beneficiarla, para saber si realmente es conveniente
113
modificar el tipo de energético ( Gas L.P.), y
emigrar a un sistema de consumo de energía usando un
energético diferente al que actualmente usamos, las
ventajas que obtenemos son notables, no tiene costo
y nunca lo tendrá, no esta sujeto a ninguna crisis
económica, es accesible a todos los habitantes del
planeta, no contamina, no es peligroso de usar como
el Gas L.P., es decir no puede causar ningún tipo de
explosión.
Los calentadores solares de agua domésticos
varian en volumen y tamaño recomendándose según el
número de miembros que integran la familia. Existen
módulos desde 200 Its. de capacidad hasta los muy
grandes de 1500 Its aprox., como se vio en el
Capitulo 4 Sistemas de Calefacción de Agua.
Para poder llevar a cabo un estudio de Costo -
Beneficio se deberá suponer la demanda es decir el
numero de usuarios al que va a esta sujeto el
sistema, para que de esta manera poder aplicar
costos de diferentes energéticos para producir el
mismo servicio ( Calefacción de Agua).
114
Para hacer nuestra comparación la demanda
supuesta será de :
Numero de Usuarios = 5
Tipo de Servicio = Regadera
Existen 2 opciones :
La Primer Opción : Será si el lugar donde
se instalara el sistema no cuenta con ningún tipo
sistema de calefacción de agua existente, en este
caso se hará una comparativa de los costos de una
instalación de Gas L.P. y los costos de una
instalación de Energia Solar para Calefacción de
Agua.
La Segunda Opción : Será si el lugar donde se
va a instalar el sistema de Energia Solar ya cuenta
con un sistema de calefacción de agua, Gas L.P., que
es la mayoría de los casos.
Para ambos casos el costo de la instalación de
un sistema solar es el mismo, no importa si cuenta
con un sistema de calefacción de agua o no cuenta
con ningún sistema, de manera que como primer paso
115
se obtendrán los costos de un sistema de Energia
solar para calefacción de agua.
El primer parámetro que se puede tomar es el
costo comercial de un sistema de. calefacción de
Energia Solar, aunque se puede autoconstruir el
sistema de calefacción para utilizar Energia Solar
no se hará con costos de sistemas autoconstruidos
porque pocas personas tienen los elementos para
construir un sistema de Energia Solar,
posteriormente se analizaran los costos de un
sistema autoconstruido, si el estudio se hace con
costos de autoconstrucción el sistema convencional
de Gas L.P. estarla en desventaja, porque no existen
sistemas de autoconstrucción de este tipo de
sistemas porque requiere el sistema convencional de
Gas L.P. de maquinaria muy especializada.
El costo de un sistema de Energia Solar son
variados porque aunque se limita a una cierta
demanda de usuarios, existen diferentes
comercializaciones de estos sistemas, por ejemplo :
Existen "kits", que es el equipo completo y que uno
lo tiene que instalar, pero este tipo de
comercialización no entrará en nuestro estudio ya
que no es completo el costo porque faltarían los
costos de instalación del sistema.
116
Quedan los sistemas que son comercializados por
compañías que ofrecen el servicio completo, la
instalación del sistema y la venta del equipo, estas
compañías son realmente pocas, en la Cd. de México
existen 3 compañías que ofrecen ese tipo de producto
aunque se dedican al desarrollo de Energía Solar
algunas no tienen la solución para este tipo de
sistema o simplemente están dedicadas a otras áreas
de la Energía Solar.
El costo promedio estas compañías es de
14,000.00 Pesos , diseñado para un sistema con la
demanda especificada de 5 usuarios, este precio
incluye el flete del equipo hasta la ubicación
dentro del área metropolitana en el caso de las
compañías ubicadas en la Cd. de México y para el
caso de las compañías ubicadas en el Estado de
Morelos, generalmente aceptan que el flete sea hasta
la Cd. de México sin costos adicionales.
El sistema aunque en diferentes compañías se
cotizó, todas recomendaron el mismo numero de
colectores, a diferencia del tanque de
almacenamiento ya que este tuvo pequeñas diferencias
en cuanto a la capacidad pero no influyó mucho en el
costo final del sistema, asi que consta el sistema
cotizado de :
117
1 Tanque de almacenamiento de 300 Litros
2 Colectores Solares 4m2 de área
1 Base para el Tanque y Colectores
La Mano de Obra necesaria para la instalación
del sistema y materiales adicionales necesarios para
la instalación u puesta en servicio del sistema
(soldadura, tubería extra, etc.)
El costo incluye la instalación, puesta en
servicio y la utilidad por parte del contratista en
el sistema, asi que no se requiere costos
adicionales.
El insumo no tiene ningún costo ya que es la
radiación que todos los días recibe la superficie
terrestre.
De manera que no habrá gastos adicionales o
incrementos debido a crisis económicas en los años
siguientes de la vida útil del sistema de Energía
Solar.
El costo de un sistema convencional es decir de
Gas L.P. incluyendo mano de obra, instalación y la
tubería necesaria para llevar a cabo la instalación
del sistema es de : 4570.00 Pesos aproximadamente,
mas adelante se detallan los costos de este tipo de
sistema.
118
Además de que el insumo esta sujeto a cualquier
cambio politico, económico y social.
Es decir, en ningún lugar donde se ha instalado
un sistema de calefacción convencional de Gas L.P.
se ha pagado el mismo precio por el insumo en dos
ocasiones diferentes, ósea, se carga el tanque
estacionario de Gas L.P., se acaba, y la siguiente
vez ya no cuesta lo mismo este insumo, ósea que
tiene incrementos constantes, debido a las causas
mencionadas en el párrafo anterior.
Cada vez que el petróleo sube, el Gas L.P.
también sube proporcionalmente al incremento que
tuvo el petróleo ya que es un derivado de este.
Los precios del gas y otros insumos derivados
del petróleo son dictados por PEMEX y son
verificados por la PROFECO en cada compañía que
suministra Gas L.P. para que este precio no sea
alterado.
Ahora veremos cuanto cuesta en promedio un
sistema de calefacción usando Gas L.P., este costo
definitivamente puede variar ya que depende del
lugar donde se compren los materiales y la compañía
que lo instale.
119
Para llevar a cabo dicha instalación del
sistema se necesitan :
1 Tanque estacionario 5001ts 2728.00
1 Calentador de Gas L.P. 1516.00
Mano de Obra 1500.00 1 Materiales adicionales (tubería llaves de
paso, etc.) 326.00
En total suma : 4570.00
Ahora que ya tenemos los costos de ambas
instalaciones podemos hacer una comparación a través
del tiempo de ambos sistemas.
Datos :
Sistema Convencional: 4,570.00
Sistema con Energía Solar: 14,000.00
El sistema convencional necesitara alimentarse
con insumos que están sujetos a incrementos en
precio, en cualquier mes, de hecho cada mes varia el
precio del Gas, este precio es dictado por la
PROFECO mes con mes y tiene incrementos o
decrementos variados, para estos datos se tomaron
Costos del Gas L.P. de la Revista de PEMEX de 8 años
atrás a la fecha.
120
Esta manera de medir la variación del costo del
Gas L.P. fue tomada porque no es objeto de esta
tesis presentar un análisis económico del
comportamiento del Gas L.P. en los 8 años
siguientes.
Ahora revisaremos la Primera Opción, que es
donde no se tiene ninguna instalación y se va a
añadir un sistema de energía solar o un sistema
convencional.
Consideraciones de esta opción :
ra el Sistema de Energía Solar
Vida útil del sistema de Energía Solar
Costo del sistema
Bimestres a pagar el sistema
ra el Sistema de Calefacción Convencional
Costo Inicial del Sistema
Capacidad del Tanque Estacionario
Uso del Tanque para calentar agua en %
Uso del Tanque para calentar agua
en Its
Vida Útil
121
: 8 años
14,000 Pesos
= 1 Bimestre
= 4750 Pesos
=500 Litros
=80%
=400 Litros
=8 años
La carga del tanque de Gas L.P. se hará
Bimestralmente considerando 400 litros destinados al
boiler, que es el 80% de la capacidad del tanque
estacionario, y que es el promedio usado por
familia.
Las siguientes tablas muestran los cálculos y
datos que se obtuvieron para poder hacer las
comparaciones.
Como se obtuvieron los datos :
Precio del Gas 1.84 en Febrero de 1999
Porcentaje de incremento anual : Dividiendo los
precios entre sus respectivos años.
Ejemplo : Precio de 1990 = $0.212
Precio de 1991 = $0.235
División de : (0.235/0.212) = 1.1085
Resta de : 1.1085 - 1 = 0.1085
Multiplicación de = 0.1085 x 100 = 10.85%
Porcentaje de incremento bimestral : Una vez
obtenido el porcentaje de incremento anual, este
valor lo dividimos entre 6.
122
Ejemplo :
Porcentaje de Incremento anual = 10.85%
Porcentaje de incremento bimestral = 10.85%
6
Porcentaje de incremento bimestral = 1.81%
Precio del Gas con incrementos :
(1.81% x 1.84)+1.84 = $1.873/Litro
Entonces $1.873/litro seria el precio del
siguiente mes.
Esta operación se repite hasta llegar al final
de la vida útil del sistema.
Cuanto costaran los 400 litros de Gas para ser
usados en el boiler la siguiente vez que se compre :
$1.84/litro x 400 litros = $736
Para el siguiente mes se hace con el nuevo
precio, que seria :
$1.873/litro x 400 litros = $749.3
123
Proyección a dos años de los costos acumulados
de un sistema de Gas L.P. (mas costo de inversión
donde aplique)
Para el Primer Mes = $736
Para el Segundo Mes = $736 + $749.3 = 1,485.2
Y asi es como se van acumulando los meses hasta
terminar en la vida útil del sistema.
El mantenimiento del sistema de Energía Solar
tiene costo minimo, ya que este se lleva a cabo
limpiando la cubierta de cristal con jabón usando un
cepillo de cerdas suaves o una escoba, este costo se
considerará como sigue :
Jabón 4 Pesos
Escoba 10 Pesos
Mano de Obra 36 Pesos
Total 50 Pesos
La frecuencia de este tipo de mantenimiento es
bimestral, entonces bimestralmente se acumularan los
50 Pesos que corresponden al mantenimiento del
sistema de Energia Solar. En el sistema de Gas L.P.
el mantenimiento se lleva a cabo después de los 10 o
12 años dependiendo de la calidad del equipo
adquirido y de la instalación del equipo, asi que no
se acumulará mas que el costo del energético.
124
C A L E F A C C I Ó N DE A G U A U T I L I Z A N D O E N E R G Í A S O L A R
Tablas de Datos Años 1 y 2 de la Segunda Opción
Inversion Inicial Energía Solar Inversion Inicial Gas L.P.
$14,000 $0
Año Número
Años desde que se tomo referencia
Precios anuales historíeos $/Litros
Porcentaje de incremento anual
1990
0.2120
1
1991
0.2350
10.8%
2
1992
0.3550
51.1%
3
1993
0.5500
54.9%
4
1994
0.5720
4.0%
5
1995
0.9480
65.7%
6
1996
1.5810
66.8%
7
1997
1.3260
-16.1%
8
1998
1.8400
38.8%
Bimestres Porcentaje de incremento bimestral Precio del Gas con incrementos Porcentaje de uso del tanque Litros para ser usados en boiler Proyección a dos Años de costos acumulados de un sistema de Gas L.P. Cuanto costaran los 400 Its de Gas para ser usado en el boiler la siguiente vez que se compre
Año1
1 1.81% $1.84
80% 400
$736
$736.0
2 1.81% $1.87
80% 400
$1,485
$749.3
3 1.81%j $1.91
80% 400
$2,248
$762.9
4 1.81% $1.94
80% 400
$3,025
$776.7
5 1.81% $1.98
80% 400
$3,816
$790.7
6 1.81% $2.01
80% 400
$4,621
$805.0
Año 2
7 8.51% $2.05
80% 400
$5,440
$819.5
8 8.51% $2.09
80% 400
$6,274
$834.4
9 8.51% $2.12
80% 400
$7,124
$849.5
10 8.51% $2.16
80% 400
$7,989
$864.8
11 8.51% $2.20
80% 400
$8,869
$880.4
12 8.51% $2.24
80% 400
$9,765
$896.4
1 9 9 9 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN M E X I C O
C A L E F A C C I Ó N DE A G U A U T I L I Z A N D O E N E R G Í A S O L A R
Tablas de Datos de los Años 1 al 4 de la Primer Opción
Bimestres Cuanto costara el 80% de Gas para
ser usado en el boiler la siguiente vez que se recarge
Costos Acumulados de Gas L.P. Mas la inversion
Litros que se compraran para cubrir la demanda
Porcentaje de uso del tanque Precio del Gas con incrementos
Porcentaje de incremento bimestral
Año1
1
$736.00
$5,486
400
80% $1.84
1.81%
2
$749.31
$6,235
400
80% $1.87
1.81%
3
$762.86
$6,998
400
80% $1.91
1.81%
4
$776.65
$7,775
400
80% $1.94
1.81%
5
$790.69
$8,566
400
80% $1.98
1.81%
6
$804.99
$9,371
400
80% $2.01
1.81%
Año 2
7
$819.55
$10,190
400
80% $2.05
8.51%
8
$834.37
$11,024
400
80% $2.09
8.51%
9
$849.45
$11,874
400
80% $2.12
8.51%
10
$864.81
$12,739
400
80% $2.16
8.51%
11
$880.45
$13,619
400
80% $2.20
8.51%
12
$896.37
$14,515
400
80% $2.24
8.51%
Bimestres Cuanto costara el 80% de Gas para
ser usado en el boiler la siguiente vez que se recarge
Costos Acumulados de Gas L.P. Mas la inversion
Litros que se compraran para cubrir la demanda
Porcentaje de uso del tanque Precio del Gas con incrementos
Porcentaje de incremento bimestral
Año 3 13
$912.58
$15,428
400
80% $2.28
9.15%
14
$929.08
$16,357
400
80% $2.32
9.15%
15
$945.88
$17,303
400
80% $2.36
9.15%
16
$962.98
$18,266
400
80% $2.41
9.15%
17
$980.39
$19,246
400
80% $2.45
9.15%
18
$998.12
$20,245
400
80% $2.50
9.15%
Año 4 19
$1,016.17
$21,261
400
80% $2.54
0.67%
20
$1,034.54
$22.295
400
80% $2.59
0.67%
21
$1,053.25
$23,348
400
80% $2.63
0.67%
22
$1,072.29
$24,421
400
80% $2.68
0.67%
23
$1,091.68
$25,512
400
80% $2.73
0.67%
24
$1,111.42
$26,624
400
80% $2.78
0.67%
19 9 9 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN M E X I C O
C A L E F A C C I Ó N D E A G U A U T I L I Z A N D O E N E R G Í A S O L A R
Tablas de Datos de los Años 5 al 8 de la Segunda Opción
Bimestres
Cuanto costara el 80% de Gas para ser usado en el boiler la siguiente vez
que se recarge
Costos Acumulados de Gas LP. Mas la inversion
Litros que se compraran para cubrir la demanda
Porcentaje de uso del tanque Precio del Gas con incrementos
Porcentaje de incremento bimestral
Año 5 25
$1,131.52
$23,005
400 80%
$2.83 11.0%
26
$1,151.98
$24,157
400 80%
$2.88 11.0%
27
$1,172.81
$25,330
400 80%
$2.93 11.0%
28
$1,194.01
$26,524
400 80%
$2.99 11.0%
29
$1,215.60
$27,740
400 80%
$3.04 11.0%
30
$1,237.58
$28,977
400 80%
$3.09 11.0%
Año 6 31
$1,259.96
$30,237
400 80%
$3.15 11.1%
32
$1,282.74
$31,520
400 80%
$3.21 11.1%
33
$1,305.94
$32,826
400 80%
$3.26 11.1%
34
$1,329.55
$34,156
400 80%
$3.32 11.1%
35
$1,353.59
$35,509
400 80%
$3.38 11.1%
36
$1,378.07
$36,887
400 80%
$3.45 11.1%
Bimestres
Cuanto costara el 80% de Gas para ser usado en el boiler la siguiente vez
que se recarge
Costos Acumulados de Gas L.P. Mas la inversion
Litros que se compraran para cubrir la demanda
Porcentaje de uso del tanque Precio del Gas con incrementos
Porcentaje de incremento bimestral
Año 7 37
$1,402.99
$38,290
400 80%
$3.51 -2.69%
38
$1,428.35
$39,719
400 80%
$3.57 -2.69%
39
$1,454.18
$41,173
400 80%
$3.64 -2.69%
40
$1,480.48
$42,653
400 80%
$3.70 -2.69%
41
$1,507.25
$44,160
400 80%
$3.77 -2.69%
42
$1,534.50
$45,695
400 80%
$3.84 -2.69%
Año 8 43
$1,562.25
$47,257
400 80%
$3.91 6.46%
44
$1,590.49
$48,848
400 80%
$3.98 6.46%
45
$1,619.25
$50,467
400 80%
$4.05 6.46%
46
$1,648.53
$52,116
400 80%
$4.12 6.46%
47
$1,678.34
$53,794
400 80%
$4.20 6.46%
48
$1,708.69
$55,503
400 80%
$4.27 6.46%
1 9 9 9 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN M E X I C O
La primer gráfica muestra el comportamiento de
los dos primeros años de ambos sistemas, porque dos
años?, porque en dos años los costos de ambos
sistemas se igualan y en ese momento empieza el
beneficio.
Esta gráfica esta basada en bimestres, para
todas las gráficas se tomaron costos históricos de
Gas L.P desde 1991 hasta 1998, este periodo
comprende los 8 años de vida útil de ambos sistemas.
125
C A L E F A C C I Ó N DE A G U A U T I L I Z A N D O E N E R G Í A S O L A R
Primera Opción : Gráfica Comparativa Bimestral de Costos en ambos Sistemas Cuándo Empieza el Beneficio ?
$14,000
$12,000
$10,000
Monto
$8,000
$6,000
$4,000
$2,000
$0 —•—Costos Acumulados del Sistema de Gas LP.
—B—Costos Acumulados del Sistema de Energia Solar
Inversion
$4,750
$14,000
IB
1
$5,486
$14.050
B
2
$6,235
$14,100
3
$6,998
$14,150
4
$7.775
$14,200
B
5
$8,566
$14.250
a '
6
$9.371
$14.300
H 1
7
$10,190
$14,350
8
$11,024
$14,400
B
9
$11.874
$14,450
B
10
$12.739
$14,500
B
11
$13.619
$14,550
12
$14.515
$14,600
Bimestres
1 999 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN M E X I C O
Como se aprecia en la gráfica anterior los
costos se evitan a partir del final del segundo año,
esto es porque el gasto que se tiene que hacer en el
sistema de Energía Solar es en una sola exhibición,
con el sistema convencional también es una sola
exhibición pero existen costos adicionales a los de
la instalación, como los del Gas L.P., al contrario
en el sistema de Energía Solar no se tienen gastos
adicionales a excepción del mantenimiento que es
mínimo.
La siguiente gráfica muestra el comportamiento
económico de ambos sistemas durante su vida útil, 8
años.
127
C A L E F A C C I Ó N DE A G U A U T I L I Z A N D O E N E R G Í A S O L A R
Primera Opción : Gráfica Comparativa Anual de Costo en ambos Sistemas Durante su Vida Útil
$70,000
$60,000
$50,000
$40,000
Monto $30,000
$20,000
$10,000
$0
Gas L.P.
Energía Solar
Inversion
$4,750
$14,000
1
$9,371 $14,515 $20,245
$14,300 $14,600 $14,900
$26,624
$15,200
$33,727
$15,500
$41,637
$15,800
Gastos de Combustible en Años
$50,445
$16,100
8
$60,253
$16,400
1 9 9 9 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN M E X I C O
En la gráfica anterior observamos que en el
segundo año de uso los dos sistemas se igualan en
costo, pero el sistema de Gas L.P. sigue
incrementando sus costos debido al combustible que
se tiene que proporcionar para que este sistema
siga funcionando.
Al final de los ocho años que son su vida útil
de ambos sistemas, los costos que se han generado
por concepto de combustible son exageradamente
altos, llegando a ser 379% mas de lo que costo el
sistema de Energía Solar, es decir casi cuatro veces
(3.79 veces) el valor del sistema de Energía Solar.
129
C A L E F A C C I Ó N D E A G U A U T I L I Z A N D O E N E R G Í A S O L A R
Primera Opción : Gráfica de Costo al final de su Vida Útil en ambos Sistemas
$60,000
$50,000
$40,000
Mo la, ooo
$20,000
$10,000
$0
$60,253 m\mw*--m + + m h + ú + + * f + * : * ± m ¡ B B. B + • • • r ^ a a a
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Costo Final
1 9 9 9 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN M E X I C O
En esta ultima gráfica de la Primer Opción
vemos solo dos barras que corresponden al costo
final de cada sistema durante su vida útil.
En el Capitulo 6 se muestran las conclusiones
de estas gráficas, pero anticipadamente podemos
inferir que con el paso del tiempo es conveniente
adquirir un sistema de Energía Solar
131
Ahora llevaremos acabo la Segunda Opción, que
es donde ya se tiene instalación de Gas L.P y se va
a añadir un sistema de energía solar.
En este caso el sistema de Energía Solar
utilizara tuberías y algunas otras instalaciones ya
existentes del sistema de Gas L.P. de calefacción de
agua, entonces deberíamos de agregar algún
porcentaje de esta instalación existente al costo
del sistema de Energía Solar, pero no se le agregara
ya que en la mayoría de las casas o departamentos
que tienen un sistema instalado de Gas L.P. este ya
ha sido justificado, la mayoría de estos sistemas ya
instalados tienen en promedio 9 años de uso, y para
este tiempo el uso del sistema ya ha sido
justificado.
Aunque se tendrá la misma demanda de usuarios y
en general las mismas condiciones que la opción
anterior, se hará mención de estas consideraciones
Consideraciones de esta opción :
Para el Sistema de Energía Solar
Vida útil del sistema de
Energía Solar = 8 años
Costo del sistema = 14,000 Pesos -
Bimestres a pagar el sistema = 1 Bimestre
132
Para el Sistema de Calefacción Convencional
Costo Inicial del Sistema =0 Pesos
Capacidad del Tanque Estacionario =500 Litros
Uso del Tanque para calentar agua en % =80%
Uso del Tanque para calentar agua en Its =400 Litros
Vida Útil =8 años
La carga del tanque se hará Bimestralmente
considerando 400 litros destinados al boiler, que es
el 80% de la capacidad del tanque estacionario, y
que es el promedio usado por familia.
La primer gráfica muestra el comportamiento de
los tres primeros años de ambos sistema, esta
gráfica esta basada en bimestres, para todas las
gráficas se tomaron costos históricos de Gas L.P
desde 1991 hasta 1998, este periodo comprende los 8
años de vida útil de ambos sistemas.
Las siguientes tablas muestran los cálculos y
datos que se obtuvieron para poder hacer las
comparaciones, las operaciones que se utilizaron son
las mismas que en la Primer Opción a diferencia que
la inversión es de $0 pesos.
133
C A L E F A C C I Ó N DE A G U A U T I L I Z A N D O E N E R G Í A S O L A R
Tablas de Datos Años 1 y 2 de la Primer Opción
Inversion Inicial Energía Solar Inversion Inicial Gas L.P.
$14,000 $4,750
Año Número
Años desde que se tomo referencia
Precios anuales históricos $/Litros
Porcentaje de incremento anual
1990
$0.21
1
1991
$0.24
10.8%
2
1992
$0.36
51.1%
3
1993
$0.55
54.9%
4
1994
$0.57
4.0%
5
1995
$0.95
65.7%
6
1996
$1.58
66.8%
7
1997
$1.33
-16.1%
8
1998
$1.84
38.8%
Bimestres Porcentaje de incremento bimestral Precio del Gas con incrementos Porcentaje de uso del tanque Litros para ser usados en boiler Proyección a dos Años de costos acumulados de un sistema de Gas LP. Cuanto costaran los 400 Its de Gas para ser usado en el boiler la siguiente vez que se compre
Año1
1 1.81% $1.84
80% 400
$5,486
$736.0
2 1.81% $1.87
80% 400
$6,235
$749.3
3 1.81% $1.91
80% 400
$6,998
$762.9
4 1.81% $1.94
80% 400
$7,775
$776.7
5 1.81% $1.98
80% 400
$8,566
$790.7
6 1.81% $2.01
80% 400
$9,371
$805.0
Año 2
7 8.51% $2.05
80% 400
$10,190
$819.5
8 8.51% $2.09
80% 400
$11,024
$834.4
9 8.51% $2.12
80% 400
$11,874
$849.5
10 8.51% $2.16
80% 400
$12,739
$864.8
11 8.51% $2.20
80% 400
$13,619
$880.4
12 8.51% $2.24
80% 400
$14,515
$896.4
1 9 9 9 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN M E X I C O
C A L E F A C C I Ó N DE A G U A U T I L I Z A N D O E N E R G Í A S O L A R
Tablas de Datos de los Años 1 al 4 de la Segunda Opción
Bimestres Cuanto costara el 80% de Gas para
ser usado en el boiler la siguiente vez que se recarge
Costos Acumulados de Gas L.P. Mas la inversion
Litros que se compraran para cubrir la demanda
Porcentaje de uso del tanque Precio del Gas con incrementos
Porcentaje de incremento bimestral
Año1
1
$736.00
. $736
400 80%
$1.84 1.81%
2
$749.31
$1,485
400 80%
$1.87 1.81%
3
$762.86
$2,248
400 80%
$1.91 1.81%
4
$776.65
$3,025
400 80%
$1.94 1.81%
5
$790.69
$3,816
400 80%
$1.98 1.81%
6
$804.99
$4,621
400 80%
$2.01 1.81%
Afto2
7
$819.55
$5,440
400 80%
$2.05 8.51%
8
$834.37
$6,274
400 80%
$2.09 8.51%
9
$849.45
$7,124
400 80%
$2.12 8.51%
10
$864.81
$7,989
400 80%
$2.16 8.51%
11
$880.45
$8,869
400 80%
$2.20 8.51%
12
$896.37
$9,765
400 80%
$2.24 8.51%
Bimestres
Cuanto costara el 80% de Gas para ser usado en el boiler la siguiente vez
que se recarge
Costos Acumulados de Gas L.P. Mas la inversion
Litros que se compraran para cubrir la demanda
Porcentaje de uso del tanque Precio del Gas con incrementos
Porcentaje de incremento bimestral
Aflo3 13
$912.58
$10,678
400 80%
$2.28 9.15%
14
$929.08
$11,607
400 80%
$2.32 9.15%
15
$945.88
$12,553
400 80%
$2.36 9.15%
16
$962.98
$13,516
400 80%
$2.41 9.15%
17
$980.39
$14,496
400 80%
$2.45 9.15%
18
$998.12
$15,495
400 80%
$2.50 9.15%
Año 4 19
$1,016.17
$16,511
400 80%
$2.54 0.67%
20
$1,034.54
$17,545
400 80%
$2.59 0.67%
21
$1,053.25
$18,598
400 80%
$2.63 0.67%
22
$1,072.29
$19,671
400 80%
$2.68 0.67%
23
$1,091.68
$20,762
400 80%
$2.73 0.67%
24
$1,111.42
$21,874
400 80%
$2.78 0.67%
19 9 9 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN M E X I C O
C A L E F A C C I Ó N DE AGUA U T I L I Z A N D O E N E R G Í A S O L A R
Tablas de Datos de los Años 5 al 8 de la Primer Opción
Bimestres Cuanto costara el 80% de Gas para
ser usado en el boiler la siguiente vez que se recarge
Costos Acumulados de Gas LP. Mas la inversion
Litros que se compraran para cubrir la demanda
Porcentaje de uso del tanque Precio del Gas con incrementos
Porcentaje de incremento bimestral
Año 5 25
$1,131.52
$27,755
400
80% $2.83
10.96%
26
$1,151.98
$28,907
400
80% $2.88
10.96%
27
$1.172.81
$30,080
400
80% $2.93
10.96%
28
$1,194.01
$31,274
400
80% $2.99
10.96%
29
$1,215.60
$32,490
400
80% $3.04
10.96%
30
$1,237.58
$33.727
400
80% $3.09
10.96%
Año 6 31
$1,259.96
$34,987
400
80% $3.15
11.13%
32
$1,282.74
$36,270
400
80% $3.21
11.13%
33
$1,305.94
$37,576
400
80% $3.26
11.13%
34
$1,329.55
$38,906
400
80% $3.32
11.13%
35
$1,353.59
$40,259
400
80% $3.38
11.13%
36
$1,378.07
$41,637
400
80% $3.45
11.13%
Bimestres Cuanto costara el 80% de Gas para
ser usado en el boiler la siguiente vez que se recarge
Costos Acumulados de Gas LP. Mas la inversion
Litros que se compraran para cubrir la demanda
Porcentaje de uso del tanque Precio del Gas con incrementos
Porcentaje de incremento bimestral
Año7 37
$1,402.99
$43,040
400
80% $3.51
-2.69%
38
$1,428.35
$44,469
400
80% $3.57
-2.69%
39
$1,454.18
$45,923
400
80% $3.64
-2.69%
40
$1.480.48
$47,403
400
80% $3.70
-2.69%
41
$1,507.25
$48,910
400
80% $3.77
-2.69%
42
$1,534.50
$50,445
400
80% $3.84
-2.69%
Año 8 43
$1,562.25
$52,007
400
80% $3.91
6.46%
44
$1,590.49
$53,598
400
80% $3.98
6.46%
45
$1,619.25
$55,217
400
80% $4.05
6.46%
46
$1,648.53
$56,866
400
80% $4.12
6.46%
47
$1,678.34
$58,544
400
80% $4.20
6.46%
48
$1,708.69
$60,253
400
80% $4.27
6.46%
19 9 9 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN M E X I C O
La gráfica siguiente muestra el comportamiento
económico de ambos sistemas durante los tres
primeros años de uso.
Porque tres años? Porque es cuando se igualan
los costos de ambos sistemas, a diferencia del
sistema anterior que se igualan los costos en el
segundo año, en este sistema sucede así porque la
inversión del Sistema de Gas L.P. es $0 Pesos.
Contra lo que compite el sistema de Energía
Solar es exclusivamente contra los costos de Gas
L.P. que se tienen que hacer para mantener al
sistema de Gas L.P. funcionando.
Este es el caso que mas frecuencia tiene ya que
la necesidad de calentar agua la mayoría de las
personas ya la tiene cubierta.
135
C A L E F A C C I Ó N D E A G U A U T I L I Z A N D O E N E R G Í A S O L A R
Segunda Opción : Gráfica Comparativa Bimestral de Costos en ambos Sistemas Cuándo Empieza el Beneficio ?
$16,000
$14,000
$12,000
M o n t o $10,000
$8,000
$6,000
$4,000
$2,000
$0
• Costos Acumulados del Sistema de Gas L.P.
—El—Costo Total del Sistema de Energía Solar
Inversion
$0
$14,000
1
$736
$14,050
IB
2
$1,485
$14,100
3
$2,248
$14,150
4
$3,025
$14,200
5
$3,816
$14,250
B
6
$4,621
$14,300
— E l
7
$5,440
$14,350
— B
8
$6,274
$14,400
— B —
9
$7,124
$14,450
— B —
10
$7,989
$14.500
—a—
11
$8,869
$14,550
— B —
12
$9,765
$14,600
— B
13
$10,678
$14,650
—a—
14
$11,607
$14,700
— B —
15
$12,553
$14,750
— B —
16
$13,516
$14,800
17
$14.496
$14.850
18
$15,495
$14,900
Bimestres
1 9 9 9 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN M E X I C O
La gráfica anterior muestra los costos que se
deberán de hacer durante el transcurso de \este tiempo
para mantener ambos sistemas trabajando.
A partir del final del tercer año comienza el
beneficio del sistema de Energia Solar, porque como ya
se mencionamos no tiene costos de combustible a
diferencia del-sistema de Gas L.P.
137
C A L E F A C C I Ó N D E A G U A U T I L I Z A N D O E N E R G Í A S O L A R
$50,000
$40,000
$30,000
Monto
$20,000
$10,000
- • - G a s LP.
"-^—Energía Solar
Segunda Opción : Gráfica Comparativa Anual de Costo en ambos Sistemas Durante su Vida Útil
Inversion
$0
$14,000
1
$4,621
$14,300
2
$9,765
$14,600
3
$15,495
$14,900
4
$21,874
$15,200
5
$28,977
$15,500
6
$36,887
$15,800
7
$45,695
$16,100
„,
8
$55,503
$16,400
Gastos de Combustible en Años
1 9 9 9 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN M E X I C O
En la gráfica anterior se muestra el comportamiento
de ambos sistemas durante su vida útil, se puede
apreciar que el beneficio no empieza sino a partir del
tercer año, dejando solo cinco años como beneficio,
ambos sistemas tienen vida útil mayor a la que se
considero en esta opción, los sistemas de Energía Solar
en promedio en la practica tienen desde 12 hasta 25 años
dependiendo de la calidad del equipo, igualmente los
sistemas de Gas L.P. tienen mayor, vida útil que la usada
en esta Tesis.
Por ultimo la siguiente gráfica muestra el resumen
de costo causado por ambos sistemas, al final de su vida
útil que son ocho años.
En esta opción no se tiene un beneficio tan alto
como en la opción anterior, debido a que en el anterior
existían costos en la instalación de Gas L.P. en esta
opción no existen estos costos porque la instalación de
Gas L.P. ya existia.
139
C A L E F A C C I Ó N D E A G U A U T I L I Z A N D O E N E R G Í A S O L A R
Segunda Opción : Gráfica de Costo al final de su Vida Útil en ambos Sistemas
$60,000 -i y $55 ,503 |
$50,000 -
$40,000 -
Monto $30,ooo
$20,000 -
$10,000 -
$ 0 -•
Costo Final HGasL.P. $55,503 BEnergiaSolarl $16,400~
19 9 9 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN M E X I C O
$16,400
CAPITULO SEIS
CONCLUSIONES
141
1 CONCLUSIONES
En resumen existen básicamente tres tipos de
sistemas de calefacción de agua utilizando Energía
Solar para el uso doméstico, el de convección
natural o termosifón, el de convección forzada, que
funciona con la ayuda de una bomba y por ultimo el
conocido con el nombre de autocontenido que almacena
en sus ductos o tubos el agua que ha sido calentada.
Todos ellos tienen entre si ventajas y
desventajas pero ninguna desventaja si se compara
con cualquier sistema de calentamiento de agua
tradicional o convencional como lo es el Gas L.P.
Es factible usarse en unidades habitacionales o
zonas rurales ya qué no necesita otro insumo mas que
el Sol.
Aun no existe marco legal para este tipo de
energia ya que es relativamente nueva, y sigue en
desarrollo, pero existe el Centro de Investigaciones
de Energia Solar ubicado en el Estado de Morelos,
ahi se llevan a cabo investigaciones, observaciones
en relación a este tipo de energia, y también existe
la Asociación Nacional de Energia Solar que lleva a
cabo eventos a nivel nacional y ademas mantiene
142
relaciones con otros paises interesados en este tipo
de energía.
No importa si ya se tiene una instalación de
Gas L.P. o no, de cualquier manera se recupera en el
peor de los casos en el tercer año, los cinco
restantes son de beneficio económico, ya que no se
tienen que hacer gastos de combustible y que si se
hacen con el sistema de Gas L.P.
Los sistemas de Energía Solar instalados en
Estados Unidos se benefician además del ahorro del
combustible se benefician con remuneraciones de
tasas mas bajas de impuestos que las normales, por
ejemplo las personas que han instalado sistemas para
calentar agua ya sea para calentar piscinas o para
el uso diario de aseo son beneficiadas con
remuneraciones fiscales e inclusive algunas no pagan
impuestos bajo ciertas condiciones.
En México no existen este tipo de ayudas por
parte del Gobierno Mexicano pero estos sistemas
están empezando a ser mas comerciales y cada día mas
gente mexicana adquiere sistemas de Energía Solar
para calentar el agua de su casa, sin importar si
serán o no beneficiados con remuneraciones fiscales
por parte del gobierno.
143
Una de las desventajas de este sistema es que
no es un sistema accesible a cualquier clase social
debido a su alto costo en un principio, pero bajo
cualquier óptica es mas barato que cualquier sistema
de calefacción de agua existente si se estudia a
largo plazo.
Las instalaciones de Energía Solar son
instalaciones en las que los usuarios no corren
ningún peligro por operación del equipo, a
diferencia del Gas L.P., las personas que usan este
tipo de sistemas están en constante riesgo de sufrir
explosiones a cualquier momento.
La vida útil de los sistemas de Energía Solar
definitivamente son mas de 8 años, pero las empresas
que comercializan este tipo de sistemas se cubren
dando vida útil de 8 años, de esa manera de deshacen
del compromiso que adquieren con el cliente.
Las gráficas presentadas en el Capitulo 5, son
claras, no hay ninguna razón por la cual pensar que
un sistema de Gas L.P. es mejor que un Sistema de
Energía Solar, no es mi intención defender los
sistemas que usan Energía Solar a toda costa, pero
definitivamente deben ser considerados como una
solución competente y atractiva para los usuarios.
144
A medida de que estos sistemas comiencen a ser
populares, estos sistemas remplazaran a los sistemas
de Gas L.P. de una manera paulatina y definitiva.
145
B I B L I O G R A F Í A :
Energía Solar : Selección del equipo, Instalación y Aprovechamiento Richard H. Montgomery Limusa
El Oro Solar y otras Fuentes de Energía Juan Tonda Fondo de Cultura Económica
Práctica de la Energía Solar Pierre Robert Sabady Biblioteca de Construcción CEAC
La Casa Ecológica Autosuficiente Armando Deffis Caso Árbol Editorial.
Sitio Internet del Centro de Energía Solar en Florida http://www.flasolar.com
Sitio Internet del Sistema de Información de los Estados Unidos de América. http://www.eren.doe.gov/erec/factsheets
PEMEX Gas y Petroquímica Básica Anuario Estadístico Indicadores Ocasionales