NDICE

Prlogo xi

1. Radiacin Solar en la Repblica Mexicana 1Introduccin 1Descripcin del mtodo 1Resultados 3Referencias 4

2. Superficies selectivas y superficies reflectivas 19Introduccin 19Superficies selectivas 19Empleo de las superficies selectivas en captadores solares 22Aplicaciones 28Pelcula selectiva, cromo negro 30Caractersticas de los depsitos de cromo negro 33Nquel negro 37Obtencin de cromo negro a nivel industrialpara absorbedores de tres metros de longitud 38Descripcin del proceso 41Superficies reflejantes 45Diferentes tipos de espejos 47Diferentes tipos de espejos desarrolladosen el Instituto de Ingeniera de la UNAM 48Espejos de aluminio de primera superficie 52Conclusiones y sugerencias 55Referencias 55

3. Colectores planos 59Caractersticas de la radiacin solar. 59Relaciones geomtricas entre un plano y la radiacin solar 62

vii

Transferencia de calor en un calentador solar de agua 66Referencias 75

4. Concentradores 77Introduccin 77Concentradores 78Tipos de concentradores con seguimiento del Sol 81Concentradores estacionarios 81Concentradores con seguimiento continuo 85Concentradores con curvatura compuesta 91Anlisis ptico-geomtrico de concentradores de enfoque lineal .. 94Anlisis terico 96Dispositivos lser para analizar espejos cilndrico-parablicos. . . 99Construccin de espejos cilndrico-parablicos 102Conclusiones 106Referencias 106

5. Estanques Solares 109Comparacin de diferentes sistemas solares 109El estanque solar no convectivo 112Ventajas y desventajas de los estanques solares 116Aplicaciones 117Modelo matemtico 127Extraccin de energa 131Simulacin 132Resultados 133Mejoras al modelo 137Balance de energa agua-atmsfera 137Aplicacin inmediata: recuperacin y refinacin de sales 145Uso de arcillas como impermeabilizantes 153Aspectos necesarios de investigacin para conocer lafsica, la qumica y otros aspectos de los lagos solares 158

Referencias 159

6. Destiladores 163Introduccin 163Concepto 163Operacin 164Transferencia de calor y masa 167Radiacin solar 168Conduccin 169Radiacin del vidrio 169Prdida convectiva del vidrio 170

Radiacin del agua 170Conveccin natural 170Evaporacin 172Balances globales y eficiencia 173Referencias 175

7. Secadores 177Introduccin 177Aspectos tericos 178Equilibrio 178Clases de humedad 178Mecanismos de flujo lquido interno 179Periodos de secado 180Correlacin terico-experimental 191Conclusiones 192Referencias 193

8. Aplicaciones de la energa solar en comunidades rurales 195Introduccin 195Calentadores solares para baos pblicos y digestores 196Cocinas solares a la intemperie 198Cocinas solares para usarse en una habitacin 201Digestores 205Comparacin de los costos de un calentador solary un digestor de metano con los de sistemas convencionales 229

Cocinas de lea 230Conclusiones y sugerencias generales 238Referencias 238

9. Plantas termosolares 241Introduccin 241Diseo de la bomba solar 241Componentes de la bomba 246Acumulador 248Turbina de vapor 249Ciclo Rankine y su incremento de eficiencia 250Diseo y construccin de los precalentadores solares 251Seguidores del Sol, y mecanismo de transmisin 253Motor de vapor 257Pruebas 262Planta solar de 10 kW 265Ventajas y desventajas del expansor 272Estudio terico con diferentesalternativas de arreglo para la planta solar 275

Anlisis y obtencin del modelo 278Geometra y arreglos estudiados 282Resultados y conclusiones 284Modelo matemtico del subsistema solar 292Almacenamiento de energa 300Comportamiento del captador cilndrico-parablico

utilizando aceite Therm 450 G.L. Esso como fluido de trabajo... 318Comportamiento trmico durante el diay alo largo del ao del sistema de captadorescilndrico-parablicos horizontales con orientacinN-S y E-0 para dos lugares con diferente insolacin 328

Temperatura del fluido hacia la carga trmicaobtenido de la mezcla del fluido proveniente direc-tamente de los captadores y del depsito de almacenamiento . . . . 350

Determinacin del rea mnima de captacinpara generar 8 kW elctricos en el Distrito Federal 357

Cambio de eficiencia de un captador cilindrico-parablico al variar la presin del aire entre el tuboabsorbedor y la envolvente de vidrio y las selectividadesde la superficie del absorbedor. 360

Variacin en el comportamiento trmico deun captador cilndrico-parablico al cambiarel dimetro del tubo absorbedor 369

Referencias 378

Nomenclatura 381

Apndice A 385Construccin de calentadores solares de 200 litros 385

A.l. Absorbedor o captador 385A.2 Almacn 386

Apndice B 399Cartilla para la construccin y

operacin de digestores de biomasa 399Agradecimientos 417

PROLOGO

El crecimiento poblacional desmedido es en esencia el principal cau-sante de los problemas que agobian a la humanidad. Contadas comu-nidades logran establecer un equilibrio estable en su desarrollo. En estepas, los habitantes mismos, como las autoridades, no han sido plena-mente conscientes de la existencia y el peligro de los problemas funda-mentales actuales y por lo tanto no parece que estn dispuestos a en-frentarlos con seriedad y decisin, por lo que es previsible algn nomuy lejano y serio colapso. Son muchos los problemas, pero algunosya rebasan lmites aceptables y demandan con urgencia la participacinmultidisciplinaria especializada para resolver varios de sus aspectos.

Basta mencionar a tres condicionantes verdaderamente prioritarios, ajuicio del que escribe, para lograr un sano desarrollo del pas: ALIMEN-TOS, AGUA (uso y reuso) y ENERGA (contaminacin atmosfrica).

Es apenas en la ltima dcada, en la que viene demostrndose laimportancia de preservar la ECOLOGA, como indispensable prcticade defensa del medio. Debe controlarse la consecuente contaminacingenerada durante el desarrollo de toda actividad. Empiezan incluso agenerarse normas internacionales que deben atenderse para preservar elmedio ambiente.

Unas cuantas cifras tomadas del boletn EPIDEMIOLOGA de laSecretara de Salud, evidencian claramente la gravedad de la proble-mtica ambiental.

Para el ao 1990 reportan en dos renglones de sus estadsticas losiguiente:

Rengln A. Infecciones intestinales con un total en el pas de 3'753'035casos; de stos, los ocurridos en el Distrito Federal y elEstado de Mxico resultan ser el 20.5%.

Rengln B. Infecciones respiratorias agudas, con un total de 14'020'980casos; 22.9% del total se presentan en la misma zona cen-tral antes mencionada.

Mientras en el rengln A) la calidad del agua juega el principalpapel, resulta todava ms grave (3.7 veces mayor) el rengln B) en elque se desprende de la calidad del aire, est seriamente afectada, prin-cipalmente, por el consumo energtico del pas.

Abundando en las estadsticas del sector salud, para los Estados dela Repblica la afeccin pulmonar es menor del 2% de la poblacin.En los lugares que cuentan ya con una importante industria (Jalisco,Veracruz, Nuevo Len, Guanajuato y Coahuila) las afecciones respirato-rias o intestinales alcanzan cifras del orden del 5% del total. En laCuenca de Mxico se han excedido los lmites tolerables, sobrepasandoel 20%, el nmero de personas afectadas por la contaminacin, segura-mente por efectos de la calidad del agua y el consumo excesivo decombustibles fsiles. Es verdad que en las estadsticas puede argirsela densidad poblacional de las zonas, sin embargo, los porcentajes en sspn indicativos de los graves efectos antes mencionados.

Un resumen con informacin proporcionada por SEMIP, se haordenado en la siguiente tabla. Mencionan que la situacin energticase mantuvo estable entre 1983 y 1988.

CONSUMO ENERGTICO (Resumen)Datos de SEMIP 1988

Tipo de Energa Por cientodel total BkWh Calidad residual

I. Hidroelctrica.II Termoelctrica.

a) Petrleo crudo ycondensados.

b) Gas.c) Carbn

III. GeotrmicaIV. Nuclear (inicindose)

V. Elica

VI. Biomasa (lea y bagazode caa; consumo debosques sin el controladecuado).

VIL Solar

2.6

71.618.71.60.6

(0.2)

0

4.9

0

15.7

425.2111.19.63.5

(4.3)

0

29.1

0

Limpia.

Sucia.Regular.

SuciaLimpiaLimpia

(de alto riesgo)Limpia

(muy limitada)

Sucia(deseable quesea renovable)

Limpia

Pueden anticiparse algunos comentarios al revisar someramente ladivisin de la tabla adjunta.

I.- Es recomendable continuar con el desarrollo hidroelctrico delpas, aunque las grandes presas por construir son ms difciles y cos-tosas en su construccin. Las dos mayores presas actualmente en obra,por la CFE, van a recibir en gran parte aguas negras, semitratadas ni-camente por la oxidacin en el trayecto natural de su recorrido. Esdeseable tambin que siempre que sea posible, estos proyectos se de-sarrollen conjuntamente aprovechando e incluyendo zonas de riego conpresas menores, que tanto se requieren, para complementar en lo posi-ble la produccin de ALIMENTOS.

II.- Se aprecia que el grueso (90.3%) del consumo energtico totalrecae todava en los hidrocarburos. Ya se ha mencionado el problemade contaminacin que stos producen.

Similarmente el rengln por consumo de carbn aqu incluido pue-de calificarse tambin como altamente contaminante. Adems va atener que recurrirse a su importacin. Debe estudiarse con ms cuidadoel nmero de personas afectadas por la contaminacin atmosfrica pro-longada, especialmente los nios.

III.- La energa geotrmica esta considerada como una energalimpia, y sera deseable su expansin. Sin embargo los lugares explo-rados para su explotacin en el cinturn de fuego localizados en el ter-ritorio nacional son todava limitados.

IV.- La energa nuclear bajo un control estricto de cuidados y ope-racin ha demostrado ser segura y limpia. Los desechos radiactivos devida media larga, aunque no son de gran volumen, efectivamente re-quieren de una vigilancia y almacenamiento adecuados.

Es considerada de alto riesgo en caso de accidente, y en lo querespecta al nmero de personas afectadas, ste ha sido mnimo en todasu historia, en comparacin con cualquier otro sistema de produccinenergtica o de fumigacin. Su desarrollo se ha visto ms seriamenteafectado por razones psicolgicas que tcnicas.

Es recomendable el desarrollo de reactores de unos 300MW, dise-ados con muy alto grado de seguridad, an a prueba de sabotaje.

Se antojan como los adecuados para instalarse aqu, aprovechan-do la experiencia adquirida por personal nacional en la planta deLaguna Verde. Estos reactores representaran un fuerte soporte para el

xiu

desarrollo industrial y aliviaran la pesada carga de los hidrocarburos.

V.- No existen en el pas los vientos de velocidad adecuada parael desarrollo de la energa elica. Localmente en la zona de la Ventosaen Chiapas sera recomendable su uso; su elaboracin es onerosa y nosencilla.

VI.- Biomasa. Es la ms ampliamente difundida en el pas, inclusopor razones histricas. En este caso no es tan preocupante el grado decontaminacin, sino la consecuente pavorosa prdida de los bosques.De no atender con premura este problema, tambin acabarn perdin-dose los suelos frtiles. Es prioritario establecer una poltica de siem-bra-reciclaje de la madera, siguiendo como ejemplo el de Canad, queha logrado establecer as una industria renovable. Aqu ya se cont conel ejemplo del Sr. Lenz que atenda la siembra de grandes zonas debosques, en parte utilizados en la industria de papel de Pea Pobre ydemostr que es posible generar una industria no perecedera como loes la del petrleo.

VIL- Se ha dejado intencionalmente la energa solar para comen-tarla al ltimo, tratndose del tema bsico, objeto de esta publicacin.Se tiene catalogada como tecnologa limpia para la produccin de ener-ga elctrica.

Debido a la intermitencia del sol y no contando an con mtodosamplios para almacenamiento de fluido elctrico, recientemente se handiseado sistemas hbridos sol-gas, para la generacin continua de elec-tricidad. An as se trata de una energa casi limpia, particularmente tilpara pases cercanos al Ecuador. Tiene otros usos importantes como pue-de ser el calentamiento de agua y aire, la desalacin, la refrigeracin,etc. Algunos de estos aspectos se exponen con detalle en el texto.

Si por radiacin solar la potencia recibida es del orden de unlkW/m2, es obvio que debe aprovecharse extensivamente y por fortunaexiste informacin de que su costo es ya competitivo con el de otrosprocedimientos de transformacin energtica.

Si bien, en la tabla, el rengln correspondiente a la produccinnacional de energa solar todava est en cero, claramente es una de lastecnologas ms prometedoras y posibles de confrontacin por los pa-ses en vas de desarrollo. El inters es ahora mundial y se est en posi-bilidad y a tiempo de desarrollarla aqu y no esperar adquirir plantaselctricas de este tipo compradas finalmente a alto costo en el exterior.

El objetivo principal de los autores al escribir este libro es dar axiv

conocer algunas de las investigaciones, durante ms de 18 aos, endiferentes aspectos relacionados con las aplicaciones de la energasolar. El material que se presenta se refiere al empleo de los disposi-tivos solares que estn utilizndose en Mxico en prototipos de de-mostracin o de laboratorio, y a las consideraciones sobre sus ventajaspara su utilizacin en el pas. Las investigaciones a que se ha hechoalusin se desarrollan en el Instituto de Ingeniera de la UniversidadNacional Autnoma de Mxico, gracias al apoyo que ah se les habrindado.

Existe una enorme cantidad de literatura a nivel mundial, tanto enespaol como en ingls, referente a las aplicaciones de la energa solar,principalmente en publicaciones de pases avanzados, que presentantecnologas apoyadas en grandes inversiones, y demuestran que estetipo de energa es confiable.

Los autores consideran que algunas de esas tecnologas, al no serde empleo privativo de dichos pases, pueden tener aplicacin y xitoen naciones en vas de desarrollo como la nuestra, donde existe unpotencial enorme de energa solar, por lo que conviene que las expe-riencias que se presentan a lo largo del trabajo se difundan. La promo-cin que se haga de estos dispositivos depender de la amplitud de suuso, en mayor o menor grado, con el consecuente ahorro en otros ener-gticos, principalmente los de origen fsil.

Los aspectos relacionados con la estimacin de la radiacin solaren Mxico se incluyen en el captulo 1.

Por su parte, en el captulo 2 se analizan los desarrollos en materia-les tiles para la aplicacin de la energa solar a bajas y altas temperatu-ras. Este captulo es muy importante, ya que debe considerarse que unode los puntos dbiles de la tecnologa que se usa en energa solar es elempleo de materiales que se deterioran con el tiempo o que son pocoeficientes y durables al transformar la radiacin en energa trmica.

En el captulo 3 se introduce al lector en el funcionamiento de loscolectores planos, as como en algunas de sus aplicaciones en el pas yse presentan diversas alternativas para su uso.

La informacin sobre concentradores solares, bsicamente, la quese refiere a los de canal parablico, tambin conocidos como cilindricoparablicos corresponde al captulo 4. Son los de mayor aplicacin enel mundo para temperaturas entre 100 y 300C.

Respecto al captulo 5, que se denomina "Estanques solares", se

xv

incluye en l una serie de estudios realizados por los autores, tantotericos como experimentales, dndose informacin referente a la apli-cacin de estos dispositivos en problemas nacionales.

El captulo 6 presenta la teora referente al funcionamiento de losdestiladores solares, la tcnica de su construccin y el empleo que per-mita duracin y eficiencia ptimas.

El aspecto de secado solar se trata en el captulo 7. La importanciade este proceso es obvia, pues implica una respuesta con muy altopotencial para diferentes productos. Se le da relevancia a los aspectosde transferencia de calor y masa a fin de entender los aspectos bsicosdel secado.

Las aplicaciones de la energa solar en comunidades rurales apare-cen en el captulo 8; se presentan los prototipos que se han instaladoen algunas comunidades rurales, que han permitido evaluar de manerapreliminar su aceptacin o rechazo por dichos grupos sociales.

Finalmente, se habla en el captulo 9 de una de las investigacionesen las que han participado los autores durante varios aos, se trata deldesarrollo de plantas termosolares para generar vapor de agua y suaplicacin en la obtencin de energa elctrica; se incluye al respectouna serie de experiencias que podrn, en el futuro cercano, utilizarse enforma masiva en el pas, como puede ser el caso del bombeo de agua ola generacin de vapor para industrias.

Mientras se formaba el libro en CONACYT para su edicin, en losInstitutos de Fsica y de Ingeniera, UNAM, se prosegua con la inves-tigacin de uno de los principales objetivos del captulo 2, el desarrollode espejos de aluminio de primera superficie. Vale la pena agregar queel avance de la tecnologa en la fabricacin de espejos de primerasuperficie en vidrio ha resultado significativo. Mediante el uso de doscaones de electrones, sin la admisin de aire durante todo su procesoen vaco, se logr la formacin de espejos de aluminio (1000) recu-biertos con xido de silicio (2500). Tanto la adherencia como laresistencia a pruebas de deterioro ambiental y de desgaste mecnicoresultaron de alta calidad. Este se considera el proceso bsico en lafabricacin de grandes espejos (lm x 5m) tiles para cubrir superficiesextensas. El proceso experimental referido es el escaln que haca faltapara la produccin de captadores solares a escala comercial. Se estproponiendo estudiar su produccin mediante el empleo de magnetroneslineales como fuentes de evaporacin al vaco por erosin inica (sput-tering). Por su importancia, al final del captulo 2, se ha agregado bre-vemente la informacin de estos recientes resultados.

xvi

Debe mencionarse que otros grupos trabajan tambin pensando enla produccin directa de electricidad en base a materiales de silicio, atravs de la tecnologa de fotoceldas.

M. MAZARIEl Colegio National

Institutos de Fsica y de Ingeniera

RADIACIN SOLAR EN LA REPBLICAMEXICANA

INTRODUCCIN

Al elaborar mapas climatolgicos de radiacin total, es comn emplear me-diciones de sta en su forma directa ms difusa, medida en unidades deenerga por unidad de tiempo, por unidad de rea sobre un plano horizontalmediante un piranmetro,2 aun cuando existen otros tipos de medicionesmeteorolgicas que se relacionan con la energa solar, siendo los datos deradiacin la mejor fuente de informacin; sin embargo, en ausencia de stoses factible emplear relaciones empricas para estimar la radiacin global apartir de las horas de insolacin, porcentaje de posible insolacin o nubosi-dad. Otra alternativa sera la estimacin para un lugar particular mediantedatos existentes de otras localidades con latitud, topografa y climas seme-jantes al deseado. Al emplear datos de insolacin para obtenerempricamente, mediante varios mtodos la radiacin total, se estima suaproximacin con un error dentro de un 10 por ciento.

DESCRIPCIN DEL MTODO

Se ha demostrado que las sumas dianas de radiacin son funcin de la dura-cin de insolacin para una localidad particular, siendo la relacin* entreellas del tipo

H = H^a ' + b ' S / S ^ (1)

donde

H radiacin global diaria promedio horizontal para el periodo encuestin (por ejemplo, mensual);

Esta relacin se basa en un desarrollo de Angstrom.3 Otros procedimientos similares hansido desarrollados por Fritz,4 Page,5 Black6 y Sivkov.7

H' radiacin global diaria promedio horizontal para un da clarodel periodo en cuestin;

a', b' constantes que relacionan la radiacin y la insolacin, las cualesdependen de la localidad y del clima;

S horas promedio diarias de insolacin para el mismo periodo, ySo horas diarias mximas de insolacin que seran posibles, esti-

mando que no existe obstruccin en el horizonte para el periodoen consideracin.

Sin embargo, como H'o no puede obtenerse sin mediciones de radiacinlocal, y ante la dificultad de definir lo que es un da claro, Page modific es-te mtodo para no requerir de H'o, con base en la radiacin extraterrestresobre una superficie horizontal, a fin de obtener la radiacin global diariapromedio:

H = H o (a + bS/So) (2)donde

Ho radiacin fuera de la atmsfera para la misma localidad, prome-diada para el periodo en cuestin; su valor puede calcularse o de-ducirse de grficas;8

a, b constantes que relacionan la radiacin y la insolacin; dependende la localidad y del clima, y

S, So mismo significado que en la ecuacin 1.

El mtodo general para obtener radiacin a partir de datos de insola-cin consiste en determinar a y b para una localidad donde los dos tipos (in-solacin y radiacin) de datos estn disponibles. En el caso de Mxico, debi-do a la ausencia de datos de radiacin para las diferentes localidades, suaplicacin es difcil; sin embargo, puede utilizarse en aqullas donde el cli-ma y tipo de vegetacin son conocidos; al respecto, Lof9 lleg a obtener lasconstantes a y b para diferentes localidades del mundo, inclusive conclimatologa y flora distintas; a pesar de ello, un problema importante alaplicar estas constantes es que Mxico tiene regiones montaosas quecausan variacin sustancial en la nubosidad entre localidades a distanciasrelativamente cercanas; adems, existen zonas donde la topografa y climacambian bruscamente.

El mtodo que se emplea en este trabajo es el emprico deducido porJeevananda1 que obtiene la radiacin global con desviaciones menores de 10por ciento.

Dicho autor, adems de los datos de insolacin, emplea parmetros ta-les como latitud del lugar, longitud promedio del da y nmero de das llu-viosos en el mes, as como humedad relativa promedio por da. Ya que to-dos pueden obtenerse para diferentes partes de la Repblica (38localidades): de 30 aos para 14 localidades, para 11 localidades promediosque abarcan ms de 25 aos, tres con promedios superiores a 15 aos, dos

con diez o ms aos y las cuatro restantes con unos siete aos, se cree que elmapeo estar dentro de i 10 por ciento de precisin.

La frmula deducida por Jeevananda para estimar la radiacin globaltotal, en ly/da (1 ly = 1 Langley = 1 cal/cm2 = 4.186 J/cm2) con datosmedios mensuales, est dada por

donde

( l y / d i a )

K (AN + H: cos) 102, en ly/dia; latitud del lugar, en grados;N longitud promedio del da durante el mes, la cual puede obtener-

se con la ecuacin 4;A 0.2/(1 + 0.1(>) (factor de latitud);Vjj factor de estacin que depende del mes y localidad; j = 1 para

tierra dentro y j = 2 para costa; i = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 quecorresponde a los meses de enero a diciembre con los siguientesvalores:1

1 = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 1.28 1.38 1.54 1.77 2.05 2.30 2.48 2.41 2.36 1.73 1.38 1.17

Hi2 1.46 1.77 2.05 2.15 2.05 2.05 2.10 2.17 2.14 1.96 1.60 1.43

P n/N;n horas promedio de insolacin por da durante el mes;t r/M;r nmero de das lluviosos durante el mes;M nmero de das en el mes, yh humedad relativa media por da en el mes.

La longitud del da se obtiene de

N = -j eos-1 (-tan tan d) (4)

donde es la declinacin (posicin angular del Sol al medioda solar conrespecto al plano del ecuador) deducida por Cooper.10RESULTADOSCon base en este mtodo, se realizaron mapeos mensuales de la Repblica

3

Mexicana a fin de conocer la radiacin solar global media diaria, en ly/da,mediante datos de horas de insolacin.11'12 Adems, se obtuvo el mapa deradiacin media anual en las mismas unidades. Estos se muestran en las fi-guras adyacentes.

Los datos fueron bastante representativos, pues existe una continuidadaceptable con la informacin referente a la frontera norteamericana, conisolneas obtenidas por Bennett13 para los 12 meses del ao.

Para la presentacin de los mapas de este informe se utiliz una proyec-cin cilindrica; se seleccion un intervalo de 50 ly/da entre isolneas de ra-diacin para valores menores de 500 ly/da, y para mayores un intervalo de100 ly/da.

En el mapa correspondiente al promedio anual, se observa que las re-giones de mayor radiacin en la Repblica son las del norte de Sonora yChihuahua, que seran las ms propicias para fines de instalaciones que re-quieran de una incidencia alta de energa solar. Existen otras dos regionesbastante definidas, con ms de 450 ly/da en el ao: una que abarca Duran-go, Zacatecas, Aguascalientes, la mayor parte de Guanajuato y el noroestede Jalisco, otra que comprende una parte de Puebla, y otra, bastanteamplia, de Oaxaca. Adems, se aprecia que ms de la mitad del pas recibe400 ly/da en el ao, lo que significa que en Mxico el uso de la energa solarrepresenta una fuente importante de energticos para el futuro.

Su empleo estara destinado a calentamiento de agua, secado de gra-nos, cocina, refrigeracin, aire acondicionado, calefaccin, bombeo deagua, generacin de energa elctrica, etctera.* *

REFERENCIAS

1. Jeevananda, S., "An Empirical Method for the Estimation of Total Solar Radiation", So-lar Energy, 13 (1971), 289.

2. Coulson, K.L., Solar Terrestrial Radiation, Academic Press (1975).3. Angstrom, A., "Solar and Terrestrial Radiation", Quarterly Journal of the Roya/ Me-

teorolgica! Society, 50(1924), 121.4. Fritz, S., "Solar Radiation Energy and its Modification by the Earth and its Atmosphe-

re", Compendium of Meteorology, American Meteorological Society (1951).5. Page, J.K., "The Estimation of Monthly Mean Vales of Daily Total Short Wave Ra-

diation on Vertical and Inclined Surfaees from Sunshine Records for Latitudes 40 North-40South", Procs UN Conference on New Sources of Energy, 4 (1964), 378.

6. Black, J.N. Bonython, C.W. y Prescott, J.M., "Solar Radiation and the Duration ofSunshine", Quarterly Journal of the Roya/ Meteorological Society, 80 (1954), 231-235.

7. Sivkov, S.I., "Computation of Solar Radiation Characteristics", Israel Program forScientific Translations, Jerusaln (1971).

8. Duffie, J.A. y Beckman, W.A., Solar Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons,Inc., Nueva York (1974).

9. Lof, G.O.B., Duffie, J.A. y Smith, C.O., "World Distribution of Solar Radiation",Solar Energy. 10, 1 (1966).

10. Cooper, P.I., "The Absorption of Solar Radiation in Solar Stills", Solar Energy, 12, 3(1969).

11. Almanza, R. y Lpez S., "Radiacin solar global en la Repblica Mexicana mediantedatos de insolacin", Series del Instituto de Ingeniera, nm. 357, UNAM, octubre (1975).

12. Almanza, R. y Lpez, S., "Total Solar Radiation in Mxico Using Sunshine Hoursand Meteorological Data", Solar Energy, vol. 21, pp. 441-448 (1978).

13. Bennett, 1., "Monthly Maps of Mean Daily Insolation for the United States", SolarEnergy, 10,3 (1965).

14. Keyes, J., Harnessing the Sun to Heat Your House, Morgan & Morgan Publishers(1974).

15. Atlas del agua, Secretara de Agricultura y Recursos Hidrulicos, Mxico (1976).

Promedio de radiacin totaldiaria, en Langleyes/da

FEBRERO

Los valores marcados sobre EUAse tomaron de I. Bennett (13) y J. Keyes (14)

Promedio de radiacin totaldiaria, en Langleyes/da

MARZO

* Los valores marcados sobre EUA 500se tomaron de I. Bennett (13) y J. Keyes (14)

SUPERFICIES SELECTIVASY SUPERFICIES REFLECTIVAS

INTRODUCCIN

Existen varios mtodos para convertir la energa solar en electricidad, unode ellos es por conversin directa, en la cual se genera un voltaje o corrienteelctrica por medio de la absorcin de fotones en un semiconductor de sili-cio o sulfuro de cadmio. Otro es por conversin trmica, en la que el calorse convierte en energa elctrica mediante dispositivos termoelctricos, termo-inicos o magneto hidrodinmicos, o bien por turbinas ordinarias de va-por. Un tercer mtodo puede ser a travs de procesos biolgicos, ya sea pormedio del crecimiento de plantas utilizables de varias maneras o quemndo-las en sistemas trmicos.

Respecto al empleo de conversin trmica solar, la experiencia histri-ca demuestra que las mquinas de vapor o turbinas, impulsadas por diferen-tes tipos de fluidos, son de muy baja eficiencia, siendo sta del orden de 1 o2 por ciento de la energa incidente; dicha eficiencia5 se debe a las relativa-mente bajas temperaturas de operacin de los dispositivos. La solucin a es-te problema sera el uso de aparatos que trabajen a temperaturas mayores(300 a 500 C), como por ejemplo el de las modernas turbinas de vapor, lascuales convierten la energa de los combustibles fsiles en potencia elctricacon eficiencias del orden de 40 por ciento.

Hay varias aplicaciones de la energa solar en las que el uso de superfi-cies selectivas y superficies reflectivas es importante, ya que aumentan laeficiencia de los dispositivos de captacin, as como los colectores de enfo-que, en los que el absorbedor puede disminuir sus prdidas por radiacin ypor tanto aumentar las temperaturas de los fluidos con los que se trabaja,obteniendo mayor eficiencia.

SUPERFICIES SELECTIVAS

Si un cuerpo absorbe energa solar y emite energa radiante caracterstica desu temperatura, la temperatura en equilibrio final del cuerpo es directamen-

19

Figura 1. Grfica de una superficie selectiva ideal.

Las prdidas por radiacin pueden llegar a reducirse6 hasta en 79 porciento mediante el uso de superficies selectivas.

Existen varios mecanismos6 para producir materiales con estas pro-piedades, dependiendo de la temperatura a la que se trabaje; un mecanismoconsiste en depositar una pelcula delgada de alta absortancia para ra-diacin solar por medio de reacciones qumicas y usar un sustrato que tengauna emisin pobre de radiacin de onda larga (infrarroja): este sustrato de

20

baja emitancia en el infrarrojo se puede obtener con una superficie metlicapulida.1'2.3

Las superficies selectivas ms comunes son pelculas de xidos metli-cos sobre sustratos metlicos, por ejemplo las de CuO, Cu2O, Fe3O4, etcte-ra. Se ha oxidado cobre7 a base de la siguiente solucin (oxidado 1):

2.0 g SeO21.5gCuSO40.1gFeCl30.2 g CrO35.0 mi HNO3100 mi H2O

El cobre se oxida con esta solucin a fin de formar una capa de CuO yCu2O. Se ha probado la degradacin trmica de la superficie oxidada de 100a 300 C; a partir de 200 C el color negro empieza a cambiar a violceo.Despus de 300 C la pelcula empieza a desprenderse.

Otro mtodo3-4 es el de la oxidacin de Cu a base de una mezcla de Na-OH, NaClO2 y H2O (oxidado 2), con el nombre comercial de Ebonol C es-pecial (Enthone Rafeo, S.A.).

Se probaron diferentes concentraciones de Ebonol C a diferentes tem-peraturas; el mejor resultado se obtuvo con el siguiente proceso: se sumer-gi el cobre de 1 a 2 min en una solucin de 750 g de Ebonol C especial porlitro de agua a 100 C. Las pruebas a menos de 100 C no mostraron resul-tados satisfactorios.

Las superficies as tratadas exhiben buenas propiedades de absorcin,ya que al compararlas con otras pintadas de negro mate, cuya absortanciaes de a = 0.9, se lograron propiedades similares.

La emitancia result del orden de 0.2.* Este segundo proceso de oxida-cin result mejor que el anterior, ya que adems de no degradarse la super-ficie a 250 C tampoco cambi de color, conservando su absortancia (delorden de 0.9). Todas las muestras de Cu se tienen que pulir hasta acabadode espejo antes de oxidarse para obtener baja emitancia.1

Se ha oxidado aluminio con la siguiente solucin:

2.5 g Co(NO3)21 g KMnO4

96 mi H2O

El aluminio pulido se sumerge en esta solucin a 80 C durante 30 minobtenindose una capa de xido muy delgada, del orden de 105 a 10~4cm.

*Las medidas de absortancia y emitancia se realizaron con un proceso semejante al usadopor A. Keller,8 que se basa en la comparacin de las muestras con valores conocidos de absor-tancia y emitancia.

21

Las prdidas por radiacin pueden llegar a reducirse6 hasta en 79 porciento mediante el uso de superficies selectivas.

Existen varios mecanismos6 para producir materiales con estas pro-piedades, dependiendo de la temperatura a la que se trabaje; un mecanismoconsiste en depositar una pelcula delgada de alta absortancia para ra-diacin solar por medio de reacciones qumicas y usar un sustrato que tengauna emisin pobre de radiacin de onda larga (infrarroja): este sustrato de

20

baja emitancia en el infrarrojo se puede obtener con una superficie metlicapulida.12-3 v

Las superficies selectivas ms comunes son pelculas de xidos metli-cos sobre sustratos metlicos, por ejemplo las de CuO, Cu2O, Fe3O4, etcte-ra. Se ha oxidado cobre7 a base de la siguiente solucin (oxidado 1):

2.0 g SeO21.5gCuSO40.1 gFeCl30.2 g CrO35.0 mi HN03100 mi H2O

El cobre se oxida con esta solucin a fin de formar una capa de CuO yCu2O. Se ha probado la degradacin trmica de la superficie oxidada de 100a 300 C; a partir de 200 C el color negro empieza a cambiar a violceo.Despus de 300 C la pelcula empieza a desprenderse.

Otro mtodo3>4 es el de la oxidacin de Cu a base de una mezcla de Na-OH, NaClO2 y H2O (oxidado 2), con el nombre comercial de Ebonol C es-pecial (Enthone Rafeo, S.A.).

Se probaron diferentes concentraciones de Ebonol C a diferentes tem-peraturas; el mejor resultado se obtuvo con el siguiente proceso: se sumer-gi el cobre de 1 a 2 min en una solucin de 750 g de Ebonol C especial porlitro de agua a 100 C. Las pruebas a menos de 100 C no mostraron resul-tados satisfactorios.

Las superficies as tratadas exhiben buenas propiedades de absorcin,ya que al compararlas con otras pintadas de negro mate, cuya absortanciaes de o = 0.9, se lograron propiedades similares.

La emitancia result del orden de O.2.* Este segundo proceso de oxida-cin result mejor que el anterior, ya que adems de no degradarse la super-ficie a 250 C tampoco cambi de color, conservando su absortancia (delorden de 0.9). Todas las muestras de Cu se tienen que pulir hasta acabadode espejo antes de oxidarse para obtener baja emitancia.1

Se ha oxidado aluminio con la siguiente solucin:

2.5 g Co(NO3)21 g KMnO4

96 mi H2O

El aluminio pulido se sumerge en esta solucin a 80 C durante 30 minobtenindose una capa de xido muy delgada, del orden de 10-5 a 10-4 cm.

*Las medidas de absortancia y emitancia se realizaron con un proceso semejante al usadopor A. Keller,8 que se basa en la comparacin de las muestras con valores conocidos de absor-tancia y emitancia.

21

Para obtener una superficie selectiva sobre Fe se oxid ste por mediode Ebonol S-30 con el procedimiento siguiente:

Se sumergi el Fe a temperaturas de 146 a 152 C durante lapsoscomprendidos entre 3 y 25 min en una solucin concentrada de 770 g/1 deagua. La absortancia result del orden de 0.9 y la emitancia de 0.1.

Otra alternativa es usar la siguiente solucin para pavonar:7580 g de sosa240 g de nitrito de sodio180 g de nitrato de sodio

1 litro de agua; se calienta esta solucin hasta ebullicin muy suavedurante 25 min. El fierro que se va a pavonar debe estar pulido y desen-grasado.

EMPLEO DE LAS SUPERFICIES SELECTIVAS EN CAPTADORES SOLARES

Para la evaluacin cuantitativa de captadores solares de placas planas o deenfoque, se puede considerar el modelo simplificado de la figura 2. La su-perficie del captador consiste en una placa plana, colocada de manera queincida con la direccin de los rayos solares. Para el anlisis se supone que latemperatura del captador es uniforme y constante, y que la energa til seextrae de la parte trasera de la superficie mediante un fluido en circulacin.Un balance de energa9 por unidad de rea del colector tiene la forma

* G

= iTcol + hC (TcorTamb) + Qr*R TR W

donde

a absortancia solar, o sea la fraccin de la radiacin solar inciden-te absorbida por una sustancia;

G irradiancia o radiacin solar global recibida por el colector, enW/m2;

j emitancia de la superficie, o sea el promedio de la relacin de laemisin de radiacin infrarroja de un cuerpo real a la emisin deradiacin de un cuerpo negro a la misma temperatura;

o constante de Stefan-Boltzmann = 5.6697 x 10"8 W/m K4;Tcol temperatura de la superficie del colector, en K;hc coeficiente de transferencia de calor por conveccin, en W/m2

K;Tamb temperatura del medio ambiente, en K;qf energa captada por el fluido, en W/m2eR emitancia del cielo, yTR temperatura del cielo, en K.

Entrada de calor, GaInsolacin G Prdidas por radiacin, tpl col

\

^cielo = ROTR

t

Prdidas por conveccin,hc

Energa til transferida al fluido q,

a) Colector plano

Entrada de calor ~ GdInsolacin, Gri

Energa til transferidaal fluido, q

^ Prdidas por radiacin, to Aa(T4-T^mb)

Prdidas por conveccin, hcAa(T-Tamb)

b) Colector de enfoque

Figura 2. Factores que intervienen en el balance de energa para captadoressolares.

Dado que el valor de un captador solar depende de su capacidad paracaptar y retener la mayor parte de insolacin posible, la eficiencia del colec-tor se puede definir como la relacin de energa captada qf a la radiacin so-lar global G o directa recibida Gd esto es, la relacin de rendimiento solar ainsolacin:

- - (2)combinando las ecuaciones 1 y 2, se tiene

hc (Tcol-Tamb) eR oT\+

La ecuacin 3 indica que la eficiencia del captador aumenta si la absor-tancia a aumenta o si el coeficiente de transferencia de calor por conveccinhc disminuye o la emitancia disminuye. Una eficiencia mxima se alcanzacuando la y el hc tienden a cero. Una superficie selectiva es una superficiepara la cual a :i (a >ei para la mayora de aplicaciones de energa solar),mientras que una superficie no selectiva es aqulla en que a = j.

La ecuacin 3 puede emplearse, por ejemplo, para comparar propieda-des de superficies selectivas con no selectivas. Si G y Tamb se especifican, laseficiencias del captador pueden representarse grficamente para diferentestemperaturas. En la figura 3 se muestran varios ejemplos. A presin atmos-frica y teniendo aire como fluido alrededor del colector, se haencontrado9'10 que para conveccin natural de tubos horizontales

Si el captador no tiene cubierta de vidrio, el coeficiente de transferenciade calor por conveccin forzada es importante. Si se considera que a laciudad de Mxico le llega un promedio anual11 de 413 cal/cm2 da, entoncesdurante cuatro horas alrededor del medio da se tiene un promedio de 50cal/cm2h, o 500 kcal/m2h = 581 W/m2, con una temperatura ambientalTamb = 20 C = 293 K y una temperatura de cielo9 Tci lo = -7 C = 266K. Con estos datos se estimaron los valores de eficiencia que se muestranen las grficas de la figura 3, para pintura negra mate, y una superficie se-lectiva como el xido de cobre, con una absortancia a = 0.9 y una emitan-cia e = 0.9 para la pintura, y e = 0.2 para la superficie oxidada.

En la grfica (figura 3) se observa cmo puede mejorar la eficiencia alusar una superficie selectiva (xido de cobre) en lugar de pintura negra. Enla misma figura se muestran cmo mejorarn las eficiencias si se evitan lasprdidas por conveccin al envolver el absorbedor en tubos de vidrio a pre-siones muy bajas (se han obtenido presiones del orden de 102 mm de Hg).24

25 75 125 175 225 275Temperatura, en C

Figura 3. Eficiencia de un colector plano con radiacin incidente de 581 W/m2.

25

En la figura 4 se muestran las eficiencias de un colector plano vs. tem-peratura, con una radiacin incidente de 700 W/m2 para regiones en que lainsolacin es alta, o para la ciudad de Mxico en poca de primavera y alre-dedor del medio da. En dicha grfica se comparan pintura negra con super-ficie selectiva de xido de cobre.

En la figura 5 se muestran las eficiencias de un colector plano con flujode radiacin de 900 W/m2, siendo sta una radiacin representativa de re-giones con alta insolacin durante el ao o regiones como la ciudad de M-xico con das despejados en verano y alrededor del medioda. En dicha gr-fica se observa cmo mejora la eficiencia del colector al emplear una super-ficie selectiva; si adems est al vacio, la eficiencia es mucho mayor.

Sea un colector de enfoque formado por un cilindro parablico conabertura de 2 m y un absorbedor cilindrico de Cu ( = 3.33 cm) con los si-guientes datos:

Radiacin directa en la ciudad de Mxico Gd = 60 cal/cm2h = 600 kcal/m2h =(das claros en verano alrededor de =0.7 kW/m2medioda)Reflejancia del Mylar cromado Q =0.76Absortancia a =0.9Factor de forma y =0.9Trasmitancia del vidrio Pyrex T =0.85rea del absorbedor por metro lineal Aa = ndL = 0.105 m2Relacin del rea efectiva de laabertura al rea del absorbedor A ( / A a = 20

Para analizar la eficiencia se supone que la temperatura del absorbedores uniforme y que la energa til se extrae mediante un fluido que circuladentro del tubo. Para un cilindro parablico con absorbedor cilindrico1'2 elbalance de energa est dado por:

q = GdAQQrya - h ^ / T - Tamb) - oAa(T4 - T4amb) (5)La eficiencia de coleccin est definida por

La figura 6 representa la eficiencia vs. temperatura (en C) para pintu-ra negra (o = 0.9, = 0.9) y una superficie selectiva (a = 0.9, = 0.2) dexido de cobre. Para la regin de trabajo del sistema de la bomba solar4 de165 a 200 C, la eficiencia aumenta respecto a la pintura negra en 15 porciento al usar una superficie selectiva, y si se encierra el absorbedor en unsistema evacuado, la eficiencia se incrementa en 25 por ciento.

26

225 275Temperatura, en C

Figura 5. Eficiencias de un colector piano con radiacion incidente de 900 W/m2

25 75 125 175

Figura. 6. Eficiencias de un colector de enfoque.

27

APLICACIONES

Algunas aplicaciones de las superficies selectivas14 que se describen en losincisos anteriores son:

El tubo absorbedor de Cu del captador cilndrico-parablico de labomba solar de 1 kW (que se discute en el captulo 9) se oxid conEbonol C especial (figura 7). Con este procedimiento se reducen lasprdidas por radiacin en 15 por ciento.

En ollas de Cu como calentadores de agua en una estufa solar (pa-raboloide de revolucin) para aumentar su eficiencia (figura 8).

Se oxid un captador plano de Cu para calentar agua con fines do-msticos (figura 9). Tambin en este caso su eficiencia mejor, comoqued asentado en el texto.

Fabricacin de un interruptor solar (figura 10), oxidando un tubode cobre que se expande, con lo cual desconecta un circuito medianteplatinos colocados en uno de sus extremos; por la noche se contrae ylos platinos entran en contacto, cerrando el circuito. Este sistema seconstruy para encender un foco durante la noche en una torre de me-diciones en la baha de Manzanillo, en sustitucin de celdas fotovol-taicas.Con el tipo de superficies selectivas mencionadas hasta ahora se pueden

obtener selectividades (a/e.) entre 4 y 9; las eficiencias mejoran al evitarse

Figura 7. Absorbedor de cobre oxidado del captador cilndrico-parablico. Semuestra su colocacin en el foco de los captadores y los tubos de vidrio evacuados.

28

Figura 8. Ollas de cobre oxidadas para utilizarse en una estufa solar (paraboloide derevolucin) a fin de aumentar su eficiencia.

Figura 9. Captador plano de cobre oxidado para calentamiento de agua.

29

Figura 10. Interruptor solar a base de un tubo de cobre oxidado. En uno de susextremos tiene platinos que cierran en la noche y abren en el dia.

prdidas por radiacin a temperaturas de trabajo menores de 200 C. A finde aumentar la selectividad y adems alcanzar temperaturas de trabajo ma-yores, es necesario utilizar otras superficies selectivas cuyo desarrollo y apli-cacin se describen en los siguientes incisos. Su importancia radica en que sejuzga que son las adecuadas para usarse en nuestro pas.

PELCULA SELECTIVA, CROMO NEGRO

En el sistema generador que se describe en el captulo 9, el tubo absorbe-dor, alcanzar temperaturas cercanas o mayores a 300 C, por lo que fuenecesario buscar una superficie selectiva, que permanezca estable a estastemperaturas.

Con base en la informacin terica y experimental disponible, se deci-di investigar una superficie selectiva de cromo negro(15'l6'17-18'19>20'21) la quese logra con la tcnica de electrodepositado. La instalacin de laboratorionecesaria en que se obtuvo esta superficie selectiva es bsicamente una fuen-te de corriente continua y una tina electroltica para cromado. El proceso decromado, o electrodepositado de cromo, requiere los siguientes pasos pre-vios: pulido mecnico, desengrase al vapor, desengrase electroltico, activa-cin y niquelado.

Pulido mecnico: Los sustratos o piezas a tratar fueron pulidos mec-nicamente con una pasta de origen vegetal.

30

Desengrase al vapor: Se efecta para eliminar residuos de la pasta usa-da en el pulido mecnico. Se realiz mediante el lavado de las piezas con va-pores de tricloroetileno durante 10 min. Las piezas se suspenden sobre eltricloroetileno colocado en un recipiente de vidrio y se calientan hastaebullicin (suave) mediante una parrilla elctrica.

Desengrase electroltico: Se realiza para eliminar cualquier residuo, aMcala microscpica, que puedan contener las piezas. En la tina electrolticadestinada para este fin se disuelve el desengrasante en agua y despus de co-locar las piezas y los nodos, se pasa la corriente deseada. El primer des-engrasante usado fue una disolucin acuosa al 6% de RAM 1004, el cual fuecambiado, para mejorar la limpieza, por un desengrasante alcalino conagente quelante al 9% (estos productos se venden en Carolay, S.A.).

Se hace la observacin de que el agua usada para todos los procesos depruebas es agua desmineralizada.

Cuando la pieza a tratar es de acero inoxidable, el desengraseelectroltico se alterna dos veces con el bao de las piezas en una solucin decido clorhdrico al 15%. Las condiciones de operacin para el desengraseelectroltico son las siguientes:

Voltaje 6 VoltsCorrienteTemperaturaTiempoAgitacinCtodonodo

1-1.5 Amp/dm270-90 C1-2 min.ligerapiezahierro

Niquelado: Antes de pasar las piezas al bao niquelado, su superficiees activada bandola en una solucin de cido clorhdrico al 25%. El baode niquelado y sus condiciones de trabajo son las siguientes:

Sulfato de nquel 300-350 g/1Cloruro de nquel 60 g/1Acido brico 42 g/1pH 3.5-4.5ZD-A 5.7 ml/1ZD-100 30-50 ml/1ZD-220 0.5-1 ml/1Nova 40 2-4 ml/1Voltaje 5 VoltsCorriente 2 Amp/dm2Temperatura 53 CTiempo depende de la cantidad de nquel

depositado

31

Agitacin fuerteCtodo piezanodo nquel rolado de carbn.La preparacin del bao es de suma importancia, y por ello se describe

a continuacin:El sulfato de nquel se disuelve en agua, calentando preferentemente;

despus se aade el cloruro de nquel y se eleva el pH a 5.2, agregandohidrxido de sodio al 4% con agitacin vigorosa. Para precipitar las impu-rezas de las sales disueltas se agrega carbn activado y se agita durante seishoras; se deja reposar una noche y se filtra al otro da usando una tela depolipropileno. Una vez filtrada la disolucin se agrega el cido brico, pre-viamente disuelto en agua, el pH se ajusta a 4.0 con cido sulfrico diluidoy se procede a electrolizar con un voltaje bajo (0.5 Volts), usando electro-dos de acero o hierro corrugado, por espacio de ocho horas. El bao cambiade un color verde oscuro a un verde claro, despus de que es electrolizado.Posteriormente se agregan los abrillantadores, ZD-A, ZD-100 y ZD-220, ypor ltimo el agente preventivo contra las picaduras, el Nova 40, con lo cualqueda listo el bao para su uso.* Una referencia con formulaciones ycaractersticas de los baos es el Metal Finishing.19

Despus del niquelado se procedi a depositar el cromo negro. Se hi-cieron las pruebas en dos baos electrolticos, que nombramos A y B, cuyaformulacin es la siguiente.

Acido crmicoCarbonato de bario

Bao A310 g/1

6 g/125 g/1

300 g/1

Bao B400 g/1

10 g/1

60 g/13 g/1

0.5 g/1

Acido acticoHidrxido de sodioGlucosaAcido fluosilcico

la preparacin del bao B se describe a continuacin:Se disuelve el cido crmico en la mnima cantidad de agua y despus se

le aade el hidrxido de sodio, previamente disuelto en agua, lentamente.Se aade el cido fluosilcico disuelto en agua y despus la glucosa. El car-bonato de bario se disuelve en agua por separado y se agrega cuidadosamen-te por la alta efervescencia que se manifiesta. El bao puede usarse sin serelectrolizado.

La determinacin de las cantidades eje cada componente de los baosrequiri varias pruebas, pero un trabajo mucho mayor fue el determinar las

"Las sustancias se venden en Harshaw Jurez, S.A. de C.V.

32

condiciones de operacin de los mismos. La diferencia que existe entre losdos es la temperatura. El bao A opera a temperatura mayor que la ambien-tal y el B a una temperatura menor. Para el bao se hizo necesario enfriar latina electroltica, por lo que se coloc una camisa con agua enfriada por me-dio de un sistema refrigerante a base de fren 12.

A continuacin se mencionan las condiciones ptimas de trabajo de losdos baos:

Bao A Bao B

Temperatura 35 C 17 CTiempo depende de la cantidad depende de la cantidad

depositada depositadaVoltaje 8 Volts 12 Voltsnodo plomo antimonio plomo antimonioAgitacin ligera ligeraSeparacin nodo-ctodo 10 cm 15 cm

Un aspecto muy importante para el buen funcionamiento de los baoses la eliminacin de los sulfatos y la conservacin, dentro de ciertos mrge-nes, de las concentraciones de Cr + 6 y Cr + 3.

Las descripciones de los anlisis que se hicieron no se mencionan aqupero son fciles de localizar en las referencias bibliogrficas.

CARACTERSTICAS DE LOS DEPSITOS DE CROMO NEGRO

El bao A produjo depsitos de tono bajo mientras que los del bao B sonde un negro profundo; los depsitos de los dos baos son firmes y duros.

Las propiedades de los depsitos de cromo negro que nos interesanson: ndice de absortancia, ndice de emitancia y estabilidad a altas tempera-turas.

Las propiedades pticas de absortancia (a) se midieron con un reflect-metro de espectro solar S-R-R de la compaa Devices and Services Co.(EUA). Este dispositivo mide la reectividad total con una resolucin de0.001 y teniendo una repetibilidad mejor de 0.003 unidades.

El emismetro modelo AE utilizado es de la misma compaa; mide laemitancia (e) a temperatura ambiente por medio de un detector con base enuna termopila que se calienta a 82 C de manera que no necesita calentarsela muestra. Las dos propiedades tuvieron los siguientes valores:

a = 0.95 + 0.012 = 0.11 + 0.02

Para conocer la estabilidad trmica se hicieron las siguientes pruebas,que consistieron en someter diferentes superficies selectivas a 30 ciclos tr-

33

micos de una duracin de 7 horas cada uno, lo que hace un total de 210 ho-ras de exposicin a cada una con las siguientes temperaturas y con piezas di-ferentes: 150, 200 y 250 C.

Diferentes medidas de absortancia se hicieron despus de los ciclos 9,21 y 30, mientras las mediciones de emisividad se registraron cada 3 ciclostrmicos.

Adems, se hicieron pruebas de corrosin acelerada dentro de una c-mara salina para conocer el comportamiento de este fenmeno; stas se lle-varon a cabo por 7 ciclos de 24 horas cada una, en las que las condiciones dela cmara salina fueron:

Concentracin salina 5 %Ambiente hmedo 100%Temperatura interna 37.7 C

En la torre de burbujeo de la cmara salina se forma la neblina a unatemperatura de 57 C. Las medidas de absortancia y emitancia se hicieron alfinal de los siete celos. Los valores de absortancia y emisividad obtenidos alinicio de las pruebas fueron:

Oxido de cobreNquel negroCromo negro ACromo negro ACromo negro B

sobresobresobre

cobrecobre niqueladocobre

a0.910.950.930.920.94

0.220.280.220.210.09

Cromo negro B sobre cobre niquelado 0.93 0.075

Las pruebas se realizaron tambin en superficies tratadas con ebonol(oxidacin del cobre) y los recubrimientos con nquel negro (tratado des-pus) para tener un panorama comparativo ms amplio. Los resultados ob-tenidos sobre las pelculas sometidas a los ciclos trmicos, se presentan en latabla 1.

Finalmente los valores de a y antes y despus de la corrosin acelera-da en cmara salina se presentan en la tabla 2.

Observando la tabla 1, se nota que a y para la superficie de xido decobre y el nquel negro a la temperatura de 200 C y 250 C se alteran bas-tante, adems a simple vista presentan algo de degradacin; sin embargo, ala temperatura de 150 C no se nota mucha variacin; las superficies de cro-mo negro A y B sobre cobre sin niquelar tambin cambian ligeramente suaspecto al final de los 30 ciclos trmicos y a la temperatura de 250 C, lo quepermite comprobar la teora de que el cromo negro sobre sustratos de cobrecon nquel soportan ms altas temperaturas con pequeas variaciones de laspropiedades pticas.

34

Temp.de

prueba Ciclo

Tabla 1. Tratamiento trmicoCromo negro A Cromo negro B

Oxidode

cobreNquelnegro

Sobrecobre

Cobreniquelado

Sobrecobre

Cobreniquelado

150

200

250

C

c

c

921309

21309

2130

a

0.900.900.900.890.880.880.890.880.87

0.210.210.200.200.190.180.200.180.165

a

0.940.930.930.930.920.910.930.910.90

0.270.250.250.260.230.210.250.220.20

a

0.920.910.920.910.910.900.910.890.89

0.210.200.200.2050.190.190.200.190.175

a

0.920.920.920.920.920.920.920.920.91

0.210.210.2050.210.200.200.200.1950.195

a

0.930.930.920.930.920.910.930.910.89

0.080.0750.0750.070.0650.0600.0750.0650.06

a

0.930.930.930.930.930.930.930.920.91

E

0.080.080.08

0.0750.070.070.070.070.06

Oxido decobre

a

Tabla

Nquelnegro

a

2. Corrosin aceleradaCromo negro

Sobre cobrea

ACobre

niqueladoa

Cromo negro

Sobre cobrea i

BCobre

niqueladoa

Antes deltratamiento 0.91 0.22 0.95 0.28 0.93 0.22 0.92 0.21 0.94 0.09 0.93 0.075Despus deltratamiento 0.90 0.21 0.92 0.20 0.92 0.21 0.93 0.08 0.93 0.075

Por lo que respecta a la prueba de corrosin acelerada en cmara salinaes notorio el hecho de que el nquel no resisti ms que el final del cuartociclo, al trmino del cual dicha superficie se degrad casi totalmente; por loque respecta al xido de cobre, ste resisti los siete ciclos aunque al final seobserva atacada la superficie; las superficies de cromo negro A y B sobrecobre sin niquelar se encuentran slo ligeramente atacadas, en cambio lashomologas sobre cobre niquelado no presentan ningn ataque y ningunavariacin en las propiedades pticas, por lo que con los resultados de estaprueba de corrosin acelerada en una cmara salina se puede esperar que lapelcula de cromo negro sobre cobre y de cobre con nquel puedan soportarla corrosin del medio ambiente mnimo durante 5 aos;36'37 la superficie dexidos de cobre probablemente tambin los resista, no as el nquel negro, elcual, en el cuarto ciclo de la cmara salina se degrad totalmente, por lo quea lo ms resistir de dos a tres aos.

NQUEL NEGRO

Para la obtencin de este depsito se repiten los pasos de pulido mecnico,desengrases y niquelado hechos para el cromo negro. El bao de nquelnegro es el siguiente:

Sulfato de zinc, hidratado 28 g/1Sulfocianuro de sodio 14 g/1Sulfato de nquel 75 g/1Sulfato de amonio 35 g/1

el pH se ajusta a 5.8 con hidrxido de amonio.El mejor resultado del depsito de nquel negro se obtuvo efectuando

un cambio de la densidad de corriente en el transcurso de la operacin. Setrabaj en la siguiente forma:

(1) (2)Corriente 0.022 Amp/dm2 0.5 Amp/dm2Voltaje 2 Volts 3.3 VoltsTiempo 11 min 2 min

El ctodo fue la pieza a tratar y como nodo se us grafito; la distancianodo-ctodo fue de 30 cm y la temperatura 19 C. No se realiz agitacin.

Se efectu el mismo mecanismo descrito anteriormente para determi-nar el ndice de absortancia, el cual para este depsito dio un valor de 0.955(placa cromada y niquelada).

37

OBTENCIN DE CROMO NEGRO A NIVEL INDUSTRIAL PARA ABSORBEDORESDE TRES METROS DE LONGITUD

El Instituto de Ingeniera, haciendo uso de las instalaciones de la compaaElectro-Recubrimientos, S.A., ha depositado la superficie selectiva decromo negro sobre tubos de cobre y fierro niquelado.

En este captulo se describe el procedimiento de fabricacin de tubos de3 metros de longitud, dimetro de 3.175 cm (1 1/4"), adems, los resulta-dos de las mediciones de las propiedades pticas a temperaturaambiente.38'39

Con la experiencia obtenida en el depsito de cromo negro sobre placasde cobre niquelado a nivel laboratorio, no fue difcil lograr un buen depsi-to sobre pequeos tubos de cobre (hasta 0.2 m de longitud); los problemasempezaron a surgir cuando se realizaron experiencias a nivel planta pilotocon tubos de 0.5 m, ya que por simple observacin visual no se logra un de-psito negro uniforme; por esta razn hubo que experimentar lo suficientepara lograr un depsito uniforme en el tubo, y que adems tuviese las pro-piedades pticas adecuadas; se ensayaron diversas tcnicas para lograr esteobjetivo, antes de obtener tubos de 3 metros de longitud. La que mejor fun-cion es la que realiza movimientos giratorios al ctodo (tubo); con esta tc-nica se mantienen todos los parmetros constantes, dando slo un giro de45 al tubo a la mitad del tiempo que se emplea para el depsito del cromonegro, y de esta forma lograr uniformidad.

Este procedimiento fue el ms conveniente tanto desde el punto de vistaindustrial, como para la obtencin de buena selectividad del depsito; la de-cisin final fue usar nodos rectos de plomo-antimonio, un sistema de giromanual intermitente y un tipo de transmisin de corriente por medio deganchos (racks) con copies y niples soldados, y enroscados a copies y niplessoldados en los extremos del tubo a tratar.

Fabricacin de tubos absorbedores de 3 m

Para el diseo y dimensiones de la tina electroltica del proceso, se tom encuenta lo siguiente: considerando que la separacin entre nodo y ctododebe ser de 15 cm y como va una hilera de nodos a cada lado del tubo, quees el ctodo, es de esperarse por lo menos una anchura de la tina de 0.3 m.Finalmente se escogi un ancho de 0.45 m para tener un margen de seguri-dad. En lo que respecta a la profundidad, sta se decidi en 0.45 m, paradar margen a introducir el tubo a 0.2 m de la superficie de la solucin y deah a una distancia de 0.25 m del fondo de la tina, donde iba un serpentn deplomo como sistema de enfriamiento.

Dado que la relacin en rea nodo-ctodo era 1:1, el nmero de no-dos que fue necesario usar, fue de 30, con dimensiones de 20 cm de longitudpor 5 cm de ancho que dan una rea similar a la catdica de 30.9 dm2 (tubo38

de 3.10 m de longitud 3.175 cm de dimetro), la disposicin final de la tinay su arreglo se presenta en las figuras 11 y 12.

Figura 11. V i s t a lateral de la tina electroltica para el depsito de cromo negro

39

15cm . 15cm

T 0T10.0 cm

22.5 cm

20 cm

2cm

Figura 12. Vista frontal de la tina electroltica

Serpentn dePlomo

Figura 13. Vista del serpentn de plomo y la tina electroltica

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Otro punto importante del diseo, fue el calcular la cantidad de calor aextraer de la solucin que se calienta al momento de pasar la densidad decorriente necesaria en el proceso (1 100 Amp.).

Con base en el hecho de que nuestro proceso fue intermitente y no con-tinuo, se decidi usar un serpentn de plomo con agua enfriada con hielo co-mo sistema de refrigeracin en lugar de usar fren, ya que result ms eco-nmico. Un esquema de la tina y el serpentn se muestra en la figura 13.

Descripcin del proceso

Una vez instalada la tina electroltica se colocaron los dems accesorios:serpentn de plomo, barras andicas y catdicas; las andicas se encuentrana ambos lados de las catdicas. Todas las barras son de tubo de cobre de3.17 cm (1 1/2") de dimetro; la unin de estas barras al rectificador decorriente se hizo por medio de solera de cobre.

Con todo listo para llevar a cabo el proceso, el siguiente punto fue pre-parar el bao de cromo que se bas en la formulacin del bao B descritaanteriormente. Antes de proceder a trabajar el bao de cromo negro, huboque preelectrolizar el bao, para lo cual se us como ctodo una lminacorrugada de fierro negro. Al final de esta operacin se prepar y aadi elcatalizador fluosilicato de sodio, que se forma al mezclar el cidofluosilcico con nitrato de sodio en agua y que se basa en la siguiente reac-cin qumica:

H2SiF6 + 2NaNO3 - Na2SiF6 + 2HNO3

de la estequiometra de la reaccin se calcularon las cantidades de cidofluosilcico y nitrato de sodio, necesarias para tener en el bao electroltico 1gramo/litro de fluosilicato de sodio como catalizador. Con el bao prepara-do se procedi al cromado de los tubos, en la figura 14 se da un diagrama debloques de cada uno de los pasos del proceso.

El bao electroltico se correga peridicamente con base en los resulta-dos de los anlisis qumicos, as tambin fue necesario limpiar conti-nuamente los nodos con un cepillo de acero, con objeto de lograr unabuena conduccin de la corriente.

Resultados

Dada la geometra del tubo, las propiedades pticas del mismo no pudieronmedirse directamente, sin embargo estas propiedades fueron medidas en su-perficies planas que se procesaron igualmente a la par que el tubo; se suponeque las propiedades pticas as obtenidas son representativas de las del tu-bo, ya que las condiciones de operacin fueron las mismas.

En las figuras 15 y 16 se observa la variacin de absortancia y emitancia

41

Figura 14. Diagrama de bloques del proceso del cromo negro

con el tiempo de procesado para tubos de cobre y fierro, respectivamente.En las grficas se observa que a un tiempo de 40 segundos se obtienen lasmejores propiedades pticas, siendo este el tiempo usado en el proceso, tan-to para tubos de cobre, como para fierro, a una densidad de corriente de 35Amp/dm2. La diferencia en el electrodepsito sobre tubos de cobre y tubosde fierro (Mild Steel) fue que en el caso del fierro se requiri un tiempo ma-yor de activado en el cido y una separacin nodo-ctodo de 10 cm a dife-rencia de los 15 cm de separacin para el caso del cobre.

El intervalo de valores de absortancia y emitancia, para ambos mate-riales fue a = (0.94-0.96) y = (0.12-0.15), los cuales son bastante satis-factorios. Las mediciones de absortancia se registraron en un reflectmetroS-R-R de la Devices & Services Co., las de emitancia en un emismetro mo-delo A-E de la misma compaa, registrndose ambas a temperatura am-biente.

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Los valores de las propiedades pticas se vern afectados a las tempera-turas de trabajo (250-300 C), pero consideramos que aun con esta va-riacin, la superficie selectiva de cromo negro s cumple su objetivo. Aun-que en este proceso, el objetivo era obtener tubos con cromo negro, las di-

0 20 30 40 50 60t, en s

Figura 15. Variacin de emisividad y absortividad con el tiempo

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mensiones de la tina electroltica permiten la obtencin de cromo negrosobre aletas para colectores solares, y dependiendo del ancho de las mismas,se pueden fabricar de tres metros de largo.

Separacin nodo ctodo: 10 cm

40 50

t, en s

Figura 16. Variacin de emisividad y absortividad con el tiempo

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Figura 17. Superficie reflejante

SUPERFICIES REFLEJANTES

Existen dos tipos diferentes de superficies reflejantes. Uno se usa para refle-jar la radiacin solar directa incidente sobre un absorbedor deseado, comose muestra en la figura 17; el otro tipo se puede usar como superficie selecti-va de muy baja emisividad sobre absorbedores fototrmicos; generalmentelas superficies selectivas de baja emisividad son a base de pinturas blancas,las cuales son tiles cuando se desea una reflejancia total en forma difusa.

El inters para el desarrollo de este trabajo es el de obtener superficies quereflejen la radiacin directa o sea la obtencin de espejos de buena calidad.

Existen dos configuraciones tpicas de espejos dependiendo de la super-ficie en que el material reflejante se deposite.

Si el metal reflejante se deposita en la parte trasera de un material es-table e impermeable entonces se dice que es un espejo de segunda superficie;los espejos de primera superficie son aqullos en que el metal se depositasobre la superficie de la base reflectora o sea en la cara frontal del materialreflector.

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Estos dos tipos de espejos requieren una cubierta protectora de lapelcula reflectora. Generalmente el sustrato de un espejo de segunda super-ficie se escoge por sus propiedades de durabilidad y tersura, mientras que elsustrato para un espejo de primera superficie se escoge por sus propiedadesestructurales y tambin de tersura; tambin requiere de una pelcula delgadatransparente, protectora del medio ambiente. Un requerimiento adicionalpara la pelcula protectora en los espejos de primera superficie es que stano debe dispersar los rayos reflejados.

Si por ejemplo se considera un sistema de helistatos (sistema de espe-jos con movimiento programado) que concentran la radiacin solar en uncolector central, la consideracin primordial es la calidad de la reflexin, yaque un reflector debe transferir eficientemente la insolacin a un absorbe-dor; esto es, la primera prdida controlable de energa ocurrir en la super-ficie reflectora y sta se debe a la calidad del espejo.

La calidad del espejo es un trmino bastante complejo que abarca ungran nmero de factores que al final afectan el costo efectivo del sistema so-lar captador.

Reflejancia espectral: Una propiedad importante de una superficie es lareflejancia espectral; sta mide la habilidad de una superficie y su eficienciapara poder reflejar la radiacin incidente. Existen muchos materiales quereflejan eficientemente en un punto del espectro pero son muy pobres enotros. Por ejemplo, el cobre y el oro son buenos reflectores en el infrarrojopero son ineficientes para reflejar energa solar en el visible. Los mejoresreflectores de energa solar son la plata y el aluminio; estos dos metalestienen reflejancias, cuando stas se miden respecto a la radiacin fuera de laatmsfera terrestre, de .92 y .87 respectivamente.

Reflejancia especular: La reflejancia total solar no se relaciona con elgrado de eficiencia para dirigir un haz solar a un absorbedor central. Sinembargo, existe una propiedad muy importante que es la especularidad; s-ta es bsicamente la cantidad de energa (radiacin) que se refleja directa-mente de la superficie reflectora con el mismo ngulo que el haz incidentecontenida dentro de un ngulo slido.

Existen algunos dispositivos para medir la reflejancia especular, comopor ejemplo los espectrofotmetros y los reflectmetros. Por ejemplo, la es-pecularidad de un material plano pulido pticamente nos indica su adapta-bilidad para usarlo como un reflector solar.

Un requerimiento adicional para tener un buen reflector es su acabadoplano (rugosidad) ya que generalmente deben seguir al Sol y debe esperarseque cada porcin de la superficie reflectora apunte en la direccin ade-cuada.

En general, la reflejancia especular depende de la longitud de onda y enprincipio la reflejancia monocromtica se deber integrar para la distribu-cin espectral particular de energa incidente. De manera que la reflejanciaespecular monocromtica se define como:

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Un buen espejo debe cumplir los siguientes requerimientos para ser uti-lizado eficientemente en aplicaciones de energa solar:

a) El valor de su reflejancia no debe ser menor de 85%.b) Debe ser altamente especular o sea el espejo debe ser capaz de refle-

jar la energa solar en un haz que se disperse en menos de 2 milirra-dianes.

c) La propiedad de reflejancia del espejo debe conservarse por variosaos en las condiciones ambientales, por lo menos por 5 aos.

d) Su mantenimiento en el lugar de trabajo debe ser sencillo o en sucaso la sustitucin del mismo debe ser fcil.

e) Debe tener bajo costo, con el fin de que la inversin de capital seamnima.

f) Debe tener resistencia a la radiacin ultravioleta y contaminantes,as como poca degradacin ambiental.

DIFERENTES TIPOS DE ESPEJOS

Los metales constituyen una gran variedad de sustratos para generar espejos.El metal puede ser intrnsecamente un material reflectivo, como por ejemplo,una superficie de aluminio de alta pureza a base de un electropulido.

Ciertos metales, como el aluminio, pueden moldearse en conchas del-gadas con un pulido ptico posterior. Sin embargo, los pulidos pticos demetales son extremadamente complicados cuando el metal es blando, comoes el caso de los metales altamente reflectivos. Cubriendo el sustrato metli-co con una pelcula dura, mejora la superficie pero se eleva el costo del espe-jo hacindolo poco aceptable para aplicaciones solares.

Otro tipo de espejos es el que usa sustratos plsticos, opacos o transpa-rentes, sobre los que se deposita la superficie reflectora por mtodosqumicos o al vaco. Las pelculas plsticas (nylon, tefln, acrlico, etctera)ofrecen la opcin atractiva de poder hacer espejos delgados y ligeros.

Ciertos materiales plsticos gruesos se pueden usar como sustratos deespejos; stos tienen la ventaja de ser muy resistentes a daos debidos a im-

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pactos tales como piedras y granizo pero la desventaja est en la blanduradel material, ya que pueden sufrir daos de abrasin en su manejo y lim-pieza. Si se usa este tipo de material como espejo de segunda superficie en-tonces la calidad ptica queda protegida pero la desventaja est en que losplsticos gruesos transparentes son caros y adems sufren deterioro bajo elpaso, a travs de ellos, de un doble flujo de radiacin.

Los espejos que usan como sustratos al vidrio o cermica vitrea son ex-celentes. Estos espejos son dimensionalmente estables y pueden fabricarsefcilmente en formas bidimensionales por mtodos de deformacin trmicapor gravedad, sin daar la calidad original de las superficies externas. Lastolerancias en la temperatura para la deformacin son bastante crticas,adems la deformacin trmica en vidrio es ms cara que en plsticos.

Los espejos frontales o de primera superficie en vidrio se pueden for-mar cubriendo su parte frontal con el material reflejante, por procesosqumicos o con tcnicas de vaco; sin embargo, estos espejos pueden sufrirabrasin o ataques qumicos fcilmente. Por ejemplo, los espejos astron-micos expuestos al medio ambiente sufren degradacin importante despusde un ao de uso. Los espejos de segunda superficie son los ms durables,comparados con cualquier otro, excepto el vidrio, puede daarse por im-pacto de objetos y granizo. El grueso del vidrio queda sujeto a criterio deldao que pueda sufrir y el costo puede algunas veces ser prohibitivo. Elvidrio utilizado en este tipo de espejos debe ser lo ms transparente ya quelos rayos solares lo atraviesan dos veces y pequeas impurezas de fierropueden bajar la eficiencia de un 5 a 7 por ciento. Tambin deben evitarse almximo las burbujas dentro del vidrio. Por ejemplo, los llamados vidriosblancos, que son fabricados de tal manera que no se trata de evitar las impu-rezas que pueden absorber la radiacin solar sino que se le aaden algunassustancias qumicas para reducir la absorcin. Sin embargo, obtener estosespejos con formas geomtricas de parbola, circular, cnica, etctera, esbastante complicado.

DIFERENTES TIPOS DE ESPEJOS DESARROLLADOS EN EL INSTITUTO DEINGENIERA DE LA UNAM

La decisin inicial que se tom, con respecto a este trabajo, fue la de de-sarrollar diferentes tipos de espejos que sean factibles de fabricarse ennuestro pas. A continuacin nos referiremos a cada uno de los espejos.

Aluminio evaporado sobre acrlicoLas lminas de acrlico transparente de 3 mm de espesor se meten, limpin-dolas previamente en campanas especiales, con vacos de 10~5 mm Hg, y soncubiertas con aluminio metlico evaporado.

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Reportes de operacinEstos espejos, usados como reflectores de segunda superficie, tienen en ope-racin aproximadamente 18 meses y han presentado los siguientes proble-mas: encogimiento, roturas y desprendimiento en las orillas de la pelculareflectora. Se cree que estas situaciones se deben al diferente coeficiente deexpansin trmica de la superficie reflectora y la base (resina polister refor-zada con fibra de vidrio de forma parablica) y al filtrado de humedad; ade-ms, la limpieza previa al depositado del aluminio es difcil de realizar, locual influye en forma importante en la adherencia de los materiales.

Tres mtodos han sido ensayados para proteger la pelcula reflectora:empalme de dos lminas con sellado de adhesivo de epoxy en las orillas, re-cubrimiento de la pelcula reflectora con pinturas elsticas o epxicas y va-ciado de resina polister sobre el espejo con un sellado en las orillas. Hastala fecha las dos ltimas ha dado resultados halagadores, aunque no estodava la solucin deseada.

Latn cromado y niquelado

Las lminas de latn de 1 y 2 mm de grueso, lavadas y pulidas mecnica-mente, se introducen en dos baos electrolticos sucesivos, las condicionesde los cuales se dan en la tabla 3.

Reportes de operacinSe ha notado que estos espejos dispersan la radiacin solar, dirigiendo lamayora de sta fuera del foco (que en el caso que nos ocupa es el tubo ab-sorbedor) debido a la pobre reflejancia especular de los espejos. Adems, lareflectividad original, de por s regular, ha ido disminuyendo considerable-mente a lo largo de los 6 meses que han trabajado. La decisin tomada es lade sustituir estas superficies reflectivas. Un punto importante de hacerse no-tar fue que el espejo con lminas de 2 mm de grueso empez a deformarsedebido a su propio peso.

Aluminio electropulidoLas lminas de aluminio de alta pureza (requisito indispensable, mejor del99.9%), limpiadas y pulidas mecnicamente, son introducidas a un baoelectroltico el cual puede ser cido o alcalino. Las condiciones de trabajo dealgunas soluciones estudiadas se dan en la tabla 4.

Aspectos tericosLa muestra a tratar se hace nodo y como ctodos se pueden usar placas deplomo, acero o aluminio. El recipiente del bao se puede operar como cto-do. El electropulido se caracteriza por los siguientes fenmenos:

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a) La polarizacin de los electrodos metlicos conduce, en ciertas con-diciones, a la pasivacin del nodo que desaparece agitando la solu-cin o al interrumpir la corriente polarizante.

b) Bajo ciertas condiciones, estos fenmenos inestables de la pasiva-cin estn relacionados con una pulsacin de la corriente; porejemplo, un cambio espontneo, peridico, ms o menos rpido ymarcado en la intensidad de la corriente.

c) Los fenmenos de la pasivacin del nodo y la pulsacin de lacorriente estn reflejados en una forma anmala de la curva

Tabla 3. Condiciones de trabajo de los baos electrolticospara el niquelado y cromado de latnSolucin, Corriente,

Mtodo porcentaje en peso Temp. C pH Amp/dm2Niquelado NiSO4-6H2O 21

6

4

60 4.1

NC12-6H2O

H3BO3

6.0

Cromado CrO,

H2SO4

6

1

52 9.0

Tabla 4. Condiciones de trabajo de los baos electrolticospara el pulido de aluminio

Solucin(porcentaje en(1) HBF4(2) CrO3

H2SO4H3PO4

peso)1.254-12

15-4636-82

(3) HC1O4 2H2O 25(CH3CO)2O 74

(4)Na3PO412H2ONaOH

(5)Na3PO4-12H2ONa2CO3

515

515

Temperatura(C)30

70-90

15

80-90

85

Voltaje(Volts)

3012-15

25

12-15

12

Corriente(Amp/dm2)

320-50

1-1.5

5

6

Tiempo(Min)

205

25

20

20

50

corriente-voltaje: dentro de un cierto intervalo, un incremento en elpotencial no origina cambio en la intensidad de la corriente.

d) La pulsacin de la corriente va acompaada por cambios visual-mente observables de la superficie del nodo.

e) A cierta intensidad de corriente, caractersticas del metal y la solu-cin dados, ocurre la transformacin de la superficie mate del no-do en una superficie brillante; esta transformacin va acompaada,en ciertos casos, por una pulsacin en la intensidad de la corriente.

Las condiciones, en las que se presentan estos fenmenos, compren-den: concentracin del electrolito, temperatura, voltaje, corriente y tiempo.En general la curva corriente-voltaje se comporta de la siguiente manera(figura 18):

CorrienteAmperes

Voltaje, volts.

Figura 18. Curva corriente-voltaje para el electropulido.

La porcin A-B de la curva corresponde a la disolucin normal delnodo. La superficie del metal es mate y cualquier microirregularidad pre-sente en l no desaparece. El lugar exacto del punto V, depende en gran ma-nera de la velocidad de incremento del potencial en la porcin A-B de la cur-va debido a que varan una gran cantidad de parmetros. Un pequeo incre-mento del potencial hacia V2 da como resultado una cada en la intensidadde corriente. A partir de este punto aun incrementando el potencial, la in-tensidad de la corriente permanece prcticamente constante.

La capa del electrolito situada junto al nodo permanece constante enla porcin C-D de la curva y se observa una suavizacin de las microaspere-zas en la superficie andica. El metal adquiere un lustre brillante cuando elpotencial se apoxima a V3. Un posterior aumento de la tensin lleva consigoun incremento en la intensidad de la corriente, acompaado de desprendi-miento de oxgeno. El mximo brillo de la superficie se consigue cuando eltratamiento se efecta a un potencial ligeramente inferior a V3.

Aspectos experimentalesDurante el trabajo experimental se observaron los siguientes hechos:

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a) La relacin de rea ctodo-nodo adecuada result ser 2 a 1.b) La concentracin del electrolito vara con gran rapidez y es necesa-

rio efectuar los ajustes necesarios para obtener buenos pulidos (es-pecialmente la solucin (4). (Ver tabla 4.)

c) Es necesario llevar un control estricto de la temperatura, ya que losbaos se sobrecalientan despus de cierto tiempo en el que se pasacorriente. Sin embargo, es necesario conservarse dentro de ciertoslmites de temperatura ya que el salirse de ellos afecta el pulido. Es-pecial cuidado debe tenerse con la solucin (3) (vase tabla 4) yaque arriba de 25 C se vuelve inestable y existe el riesgo de explo-sin.

d) Las lminas de aluminio de baja pureza, como es el caso de duralu-minio, producen pulidos extremadamente pobres.

e) Para que las piezas posean resistencia al medio ambiente es necesa-rio que sean anodizadas bajo las siguientes condiciones: Solucinde H2SO4 al 15%, 22-25 C, 10-25 Amp/dm2, 14-18 Volts, 10-30min. Despus del anodizado se realiza un sellado con agua a ebulli-cin durante 10-20 min. El anodizado y sellado de las piezas dismi-nuyen la reflectividad, siendo sta menor mientras ms tiempo seanodiza y se sella, pero la capa protectora es ms gruesa. Es necesa-rio efectuar un balance entre prdidas y ganancias para elegir eltiempo ms adecuado.

f) Las curvas corriente-voltaje se comportan de manera similar a la fi-gura 18, observndose en la porcin B-C una fuerte oscilacin de lacorriente y el voltaje.

Reporte de operacinHasta el momento este proceso ha permanecido dentro de los lmites de lainvestigacin y las reejancias obtenidas slo han alcanzado valores del or-den de 60 por ciento.

Espejos de aluminio de primera superficie.Estos espejos se han desarrollado en los Institutos de Ingenieria yFsica (UNAM) los ltimos 7 aos (1986-1992).41>43 Consisten de unsustrato de vidrio sobre el que se evapora aluminio al alto vaco y pos-teriormente se protege esta pelcula reflejante contra fenmenos deabrasin y corrosin por medio de otra pelcula de vidrio, en nuestrocaso fue Si2O3.

La ventaja de estos espejos sobre los ms comnmente usados,conocidos como espejos de segunda superficie, es que el sustrato notiene que ser un vidrio especial. En aplicaciones de concentradoressolares, generalmente se han usado espejos de segunda superficie, sin

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embargo estos hacen uso de vidrios especiales conocidos como vidriosblancos, los cuales tienen un bajo contenido de xido de fierro yadems no se fabrican en Mxico.

Aspectos Tericos

Esta opcin tiene diferentes ventajas sobre los espejos de segundasuperficie, principalmente para espejos de aluminio.

1) No es necesario tener sustratos de vidrio de baja absorcin,por tanto el xido de fierro existente en vidrios comercialesdel tipo cal-sosa pueden usarse como sustratos.

2) La proteccin del aluminio se realiza automticamente cuandoel espejo de primera superficie se fabrica.

3) Se obtiene mayor reflejancia que en espejos de aluminio desegunda superficie.

4) Una adherencia muy buena se adquiere entre el aluminio y elvidrio debido a la descarga luminosa a que es sometido en lacmara de evaporacin. Adems tambin se logra sta entre elaluminio y el Si2O3. Ambas adherencias se deben a que existeuna afinidad entre vidrio y aluminio.

5) Se espera poca corrosin debido al punto anterior.6 La reflejancia en la parte ultravioleta del espectro solar es

ms alta que en espejos de plata. Esta parte del espectro seesta utilizando en la desintoxicacin de sustancias, principal-mente para purificacin de agua.

Aspectos experimentales.

La etapa de factibilidad tcnica ha sido probada durante varias etapasexperimentales, la primera se reporta en detalle en la ref. 41. En stase evapor aluminio y SiO por calentamiento trmico, usando filamen-tos de tungsteno y tubos perforados de tantalio, respectivamente. Elproblema que surgi fue que en la evaporacin del aluminio, el tungs-teno empieza a reaccionar con este material, producindose impurezasno deseadas y causando microagujeros en la pelcula de aluminiodepositada. Estos microagujeros fueron la principal causa de corrosincuando los espejos se sometieron a pruebas del medio ambiente.

En una segunda etapa,42 se dise y construy un can de elec-trones, con el cual se evapor el aluminio en forma mas pura y de es-ta forma se redujeron o eliminaron los microagujeros, sin embargofue necesario abrir la evaporadora para colocar el crisol de grafitocon el SiO para evaporarlo. Este procedimiento no fue adecuado yaque durante este abrir y cerrar se contamina el aluminio, ocasionandoque no haya una buena adherencia entre elSi2O3 y el aluminio.

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Durante la ltima etapa43 se tuvo que construir otro can para laevaporacin del SiO, con lo cual se evitaron los problemas enunciadosanteriormente. Las muestras de vidrio usadas en estas etapas experi-mentales son del tipo de vidrio flotado cal-sosa de 3mm de espesor yun tamao de 1 0 X 7 cm. La limpieza de estos materiales se lleva acabo primero con un lavado con agua y jabn, posteriormente semeten a un bao de mezcla crmica a una temperatura de 80C ydurante 20 minutos. Finalmente se lavan con agua destilada y alcoholisoproplico y se secan con aire caliente. Se introducen las muestras enla evaporadora y se someten a una descarga luminosa en un plasmade oxgeno por 15 minutos con 3.5 kV y 220 mA. Este ltimo pro-cedimiento de limpieza in situ permite que el aluminio tenga unaexcelente adherencia al vidrio. Finalmente se evapora el aluminio auna presin de 5 X 10'5 Torr y con una corriente de haz de electronesde 50 mA, mientras que el SiO se evapora dentro de una atmsferade oxgeno a una presin de 10"4 Torr, una corriente de 30 mA y conuna rapidez de 3/s o menor. Esta ltima evaporacin permite trans-formar prcticamente al SiO en Si2O3 por medio de una evaporacinreactiva con el oxgeno, siendo el Si2O3 ms transparente y duro queel SiO.

Reporte de operacin.Los espesores ptimos obtenidos para tener una reflejancia especular de0.89, fueron 1000 o mayor para el aluminio y 2500 para el Si2O3.

Se construyeron alrededor de 100 espejos, los cuales se sometierona las siguientes pruebas de intemperismo acelerado:

Humedad relativa 100% y temperatura ambiente; humedad relativade 60% y temperatura de 50C; ciclos trmicos que hicieron variar latemperatura desde 50C por una hora, se mantienen a temperaturaambiente por otra hora, se sumergen en nitrgeno lquido (~195C) por20 minutos, y finalmente se dejan que nuevamente alcancen la temper-atura ambiente por otra hora. Este ciclo se repiti 5 veces.

Las pruebas de alta temperatura consistieron en calentar los espe-jos en una mufla a 70C por 72 horas.

Las pruebas de corrosin consistieron en meter los espejos en unasolucin salina al 5% en peso por 72 horas. Tambin se sometieron enatmsferas de S02 por 48 horas.

Finalmente las pruebas de abrasin consistieron en frotar 200veces los espejos con franela seca o hmeda.

Al analizar la degradacin de los espejos sometidos a estas prue-bas, se encontr que solo el 1% sufri daos importantes, por lo que seconsidera que los espejos de aluminio de primera superficie son otraopcin para usarse en concentradores solares de primera superficie.

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CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS

Los espejos de acrlico aluminizado se instalaron en diferentes sistemas, co-mo la bomba solar de 1 kW, sistema generador solar de 10 kW y cocinassolares con geometras del tipo paraboloides de revolucin. Entre losproblemas encontrados en la utilizacin de este tipo de espejos se encontra-ron los siguientes: la reflejancia obtenida de 0.7 no es la ms idnea, ya quela eficiencia total del sistema podra incrementarse considerablemente si lareflejancia fuera mayor; el acrlico es un material fcilmente susceptible a laabrasin por lo que su vida es relativamente corta; la trasmitancia de estematerial decae con el tiempo debido a la degradacin que sufre por efectosde la radiacin ultravioleta proveniente del Sol; una buena adherencia entreeste sustrato y el aluminio es difcil de lograr, ya que para la limpieza delacrlico no es posible utilizar tratamientos qumicos a base de cidos ni tra-tamientos a temperaturas elevadas, stos generalmente usados para un buendesengrase; la alta humedad existente en el ambiente durante la poca delluvias degradan al espejo (corrosin), desprendiendo el aluminio del sustra-to, inicindose este fenmeno al notarse pequeas gotitas de agua entre elacrlico y el aluminio; en los bordes del espejo se inicia la introduccin dehumedad as como un desprendimiento del aluminio, esto hace que sedegrade el espejo; para proteger el aluminio de fenmenos de abrasin, seprobaron diferentes recubrimientos, siendo las pinturas epxicas las quemejores resultados dieron; sin embargo, no es la solucin ptima ya que suadherencia fall en algunos casos.

Para poder incrementar la eficiencia de un sistema solar que use espe-jos deben resolverse los problemas anteriores, por lo que este estudio conti-na en el Instituto de Ingeniera. Actualmente se investigan espejos de pri-mera superficie; stos se estn logrando al evaporar una capa delgada(M 000 ) de SiO2 sobre la pelcula de aluminio. Adems se estn estu-diando diferentes mtodos, tanto qumicos como de descarga luminosa, pa-ra lograr una buena limpieza de \o$ sustratos y lograr una buena adherencia.

REFERENCIAS

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