portada c/ escudo unc · web view2009-11-03 · sus principales ventajas se indican a...

UNIVERSIDAD NACIONAL

DE CÓRDOBA

FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, FÍSICAS Y NATURALES

DPTO. DE FÍSICA – CÁT. DE TERMOTECNIA

Proyecto:Energía solar como herramienta de

desarrollo.

Informe final

Ing. Alejandro A. Domínguez

Ing. Pablo A. Aramayo

ENERGIA SOLAR COMO HERRAMIENTA DE DESARROLLO: Introducción

El presente informe trata respecto a las distintas experiencias en el desarrollo del trabajo “Energía solar como herramienta de desarrollo. Diseño de un potabilizador solar y de un sistema concentrador para obtener energía mecánica”

Al iniciar el proyecto el impulso que nos animaba, era el ver que mientras en otros países latinoamericanos existe una conciencia de aprovechar los recursos naturales disponibles para mejorar la calidad de vida de los habitantes, siendo uno de estos medios la energía solar; en nuestro país debido a una falta de políticas por parte del Estado no se cumple con los mínimos requisitos para brindar los servicios elementales de agua potable y electricidad en zonas remotas y aún en zonas marginales circunscriptas en las grandes ciudades argentinas. En nuestro caso particular analizamos a la provincia de Córdoba, nuestro sitio de residencia actual.

En nuestro análisis inicial consideramos el suministro defectuoso o carencia de suministro de agua y sus consecuencias. Así mismo la deficiencia o falta de suministro eléctrico y la influencia de ambas cuestiones en la mala calidad de vida y automarginación de los habitantes.

Gracias al respaldo dado a nuestro proyecto extensionista por ingenieros profesores del Departamento de Física de la F.C.E.F. y Nat. y la FUNAM, dirigida por el licenciado Raúl Montenegro se proyectó construir equipos que utilicen la energía solar. Estos, como requisito fundamental debido a la formulación inicial dada en nuestro proyecto, debían ser económicos, de fácil utilización y bajo mantenimiento.

Habiendo llegado al final del periodo estipulado en nuestra beca la conclusión lograda es que la primera parte del proyecto, que trata sobre la potabilización de agua mediante el calentamiento de la misma hasta una temperatura suficiente para pasteurizarla, cumplió con el objetivo propuesto.

Mientras que la otra etapa, sobre un concentrador parabólico que haciendo uso de la energía solar busca transformar ésta última en energía mecánica, generadora a su de vez energía eléctrica, no cumplió nuestras expectativas iniciales debido a lo elevado de su costo y complejidad constructiva.

Ambas etapas están debidamente justificadas y sirven a su vez para plantear la intención de obtener una nueva beca extensionista como continuación de éste proyecto.

Entre las experiencias recogidas en éste trabajo figuran haber tenido que recurrir a generar los medios para recaudar fondos, ya que lamentablemente fue confirmado un comentario / advertencia recibido antes de encarar el proyecto en cuanto al poco interés y colaboración que puede prestar una empresa privada a objetivos como los que son perseguidos por la Secretaria de Extensión Universitaria en sus becas de Extensión. Así, el proyecto en su


totalidad tuvo solamente el apoyo del Depto de Física de la F.C.E.F. y Nat., sus autoridades, de nuestro Director de beca y de la FUNAM.

Tal como estaba previsto durante el transcurso del proyecto se debió recurrir a un trabajo interdisciplinario que cosechó la colaboración del Prof. Ing. Angel Galeasso del Laboratorio de Física de nuestra Facultad con amplia experiencia en la utilización de máquinas herramienta, quien nos instruyó en el manejo de éstas máquinas y nos permitió realizar posteriormente cada una de las modificaciones en nuestro prototipo, se contó también con la colaboración del Ing. Electrónico Pablo Bobatto, profesor del IPET Cassafousth, ayudante de laboratorio de Física y Becario del C.I.A.L. – U.N.C. de gran ayuda en el relevamiento de datos por sus conocimientos de electrónica y también del señor Valdez del departamento Aeronáutica quien colaboró en el mecanizado de varios componentes de los prototipos.

Gracias a la visión del Prof. Ing. Fernando Arenas, a la experiencia y horas de lectura acumuladas por nosotros y el Ing. Bobatto acoplado a nuestro equipo, se preparó el dictado de un curso de "Aprovechamiento de la Energía Solar" orientado a brindar fundamentos para una aplicación racional de la energía solar, el cual fue destinado a profesionales, técnicos, docentes de nivel terciario y medio y público en general.

Este curso contó con los auspicios del Laboratorio de Termotecnia y el Departamento de Física, con aprobación por Resolución 244-H.C.D.-2003 de la F.C.E.F. y Nat.. Con ello se logró la posibilidad de otorgar certificación docente válida para la D.E.M.E.S.. El citado curso tuvo como objetivo; además de la obtención de fondos para financiar el proyecto, lograr divulgar a la sociedad un tema por demás conocido en otros lugares y que nosotros lamentablemente comenzamos recién a descubrir.

La justificación a la afirmación anterior está dada por la inscripción en el curso de casi cincuenta participantes, pudiéndose contar entre ellos tanto a profesionales, como profesores de secundaria y alumnos. Así también representantes de grupos de base pertenecientes a villas situadas en los alrededores de la ciudad, quienes mostraron interés y expectativas sobre en el uso de la energía solar para atender parte de sus necesidades básicas, y mejorar su calidad de vida.

En previsión del público participante es que éste primer curso fue solo de carácter informativo, haciendo énfasis en la explicación de los principios básicos, evitando en lo posible el desarrollo de formulaciones o desarrollos teóricos demasiados avanzados. La buena aceptación que tuvo este curso nos hace pensar en el dictado durante el presente año 2004 de otro curso de carácter informativo, y la preparación y dictado de un curso de nivel más avanzado.


Metodología de trabajo

Primeramente el trabajo consistió en el acopio de material bibliográfico adicional al disponible, para de ésta manera elaborar un marco teórico al proyecto en colaboración con el Depto. de Física de la F.C.E.F.y Nat., las consultas realizadas con el Ing. Pablo Galimberti de la U.N.R.C. y las experiencias recogidas en el desarrollo de un Trabajo Final de ingeniería de nuestra facultad relacionado con la construcción y puesta a punto de un calefón solar.

Posteriormente se procedió a realizar el diseño y construcción de los prototipos, sobre los cuales se realizaron ensayos para evaluar su comportamiento con miras a realizar mejoras en el diseño.

Una de las tareas a realizar propuestas en el cronograma incluía la realización de ensayos para determinar el rendimiento de los equipos. Lamentablemente esto no pudo cumplirse debido a la carencia de un piranómetro (el cual es un instrumento utilizado para medir la radiación solar), instrumento clave para realizar ensayos en equipos de energía solar. Como contrapartida, esto produjo la inquietud de contar para los laboratorios del departamento de Física con tal instrumento, por lo cual se encaró como tarea complementaria el desarrollo y construcción de un piranómetro, tarea realizada en forma conjunta con el Ing. Pablo Bobatto. A la fecha se está en la etapa de construcción de los componentes del instrumento, restando realizar luego la calibración del mismo.

Al comprender el proyecto dos temas que aún cuando tratan ambos sobre aplicaciones de la energía solar son distintos entre si, se presentará un informe por separado para cada uno de ellos.

Energía solar como herramienta de desarrollo:Diseño de un potabilizador solar

Ing. Alejandro Anibal DominguezIng. Pablo A. Aramayo

Secretaría de Extensión UniversitariaUniversidad Nacional de Córdoba

Resumen Se realizó el estudio preliminar y diseño de un prototipo de un potabilizador de bajo costo para la desinfección del agua mediante energía solar, principalmente para su aplicación en comunidades rurales y en zonas urbanas alejadas de la red de abastecimiento de agua.

Los resultados de la evaluación del prototipo demostraron la efectividad del método utilizado para la obtención de agua apta para el consumo, y su potencial para brindar una solución efectiva y económica en zonas marginales que carecen de acceso a una fuente segura de agua.

1. Introducción

El acceso a una fuente segura de agua para el consumo es fundamental para la salud, es un derecho humano básico y un componente esencial para una política efectiva en la protección de la salud.

El agua cubre aproximadamente un 71 % de la superficie del planeta. Pero el 95 % de toda esa agua es demasiado salada como para ser consumida o utilizada en la agricultura o en la industria. La cantidad de agua apta para tales fines representa solamente el 2,5 % del total.

Según la Organización Mundial de la Salud, más de mil millones de personas en el mundo beben agua insalubre, mientras que un 40% de la humanidad (cerca de 2.500 millones) carece de servicios sanitarios adecuados. Millones de personas mueren cada año en el mundo debido a enfermedades relacionadas con la escasez de agua. Para los niños muy pequeños, los ancianos, los desnutridos y las personas que viven en condiciones marginales, la diarrea representa una entidad grave que constituye una amenaza para su vida.

Hasta una tercera parte de las muertes pediátricas que ocurren en los países en desarrollo son atribuibles a la diarrea y a la deshidratación que esta provoca. Así, mueren por esta causa alrededor de 4 a 6 millones de niños por año, o lo que es lo mismo 12.600 niños al día. Entre las principales causas de diarrea se encuentran microorganismos como Escherichia Coli, Vibrio cholerae

ENERGIA SOLAR COMO HERRAMIENTA DE DESARROLLO: Potabilizador Solar

(causante del cólera), Salmonella spp, etc. El principal medio de propagación de estos microorganismos es el agua contaminada.

Según la Organización Mundial de la Salud se ha comprobado ampliamente que la utilización a nivel doméstico y de pequeñas comunidades de estrategias o métodos simples y de bajo costo son capaces de mejorar significativamente la calidad del agua, reduciendo por consiguiente los riesgos de diarrea y muerte.

Considerando el caso particular de nuestro país las diarreas son la enfermedad de origen hídrico más frecuente, evidenciando una incidencia de 0,067 episodios por año en los niños menores de cinco años, considerados como la población más vulnerable. Las muertes por enfermedades diarreicas en esta población son producidas, en general, por episodios de diarrea prolongados que dan lugar a deshidrataciones, que se agravan de acuerdo al microorganismo infeccioso, la intensidad de la infección, la edad y el estado nutricional e inmunidad del niño.

Se debe recordar que las malas condiciones de abastecimiento de agua potable, especialmente a la población de bajos recursos, contribuyeron al brote de cólera ocurrido en 1992.

2. Métodos alternativos para la obtención de agua apta para el consumo

Como se mencionó anteriormente una gran proporción de la población mundial, de alrededor de 1.100 millones de personas no tiene acceso a fuentes de agua potable. Para muchos otros, la contaminación del agua durante su transporte y almacenamiento representa un gran riesgo para su salud.

Para este gran segmento de la población mundial, el uso de tecnologías apropiadas para el tratamiento a pequeña escala del agua podría producir un beneficio directo para ellos, en la forma de una reducción de infecciones gastrointestinales (y por consiguiente una reducción en gastos en cuidados y atención médica) y los beneficios propios de un mejor estado de salud. Además, este tipo de tratamiento muchas veces puede proveer dichos beneficios mucho mas rápidamente que si se diseñara e instalara un sistema convencional de potabilización y distribución de agua, brindándose de esta manera soluciones a corto plazo.

Existen varias técnicas para el tratamiento del agua a nivel doméstico. Las tecnologías disponibles en la actualidad para mejorar la calidad del agua y reducir el riesgo de enfermedades transmisibles por la misma incluyen tratamientos o métodos físicos y químicos. Los métodos físicos incluyen la ebullición del agua, el calentamiento (ya sea utilizando algún combustible o el calentamiento con energía solar), filtrado, exposición a la radiación ultravioleta del sol, y desinfección con radiación ultravioleta utilizando lámparas. Los métodos químicos incluyen por ejemplo la desinfección con agentes germicidas (como el cloro).


Muchos de los métodos de tratamiento del agua usan insumos que no pueden ser obtenidos fácilmente a un costo razonable y requieren sistemas complejos y costosos. Tales sistemas pueden ser demasiado inaccesibles, complejos y caros para el tratamiento y almacenamiento del agua en ciertas situaciones y regiones.

Entre los métodos existentes, los siguientes son los mas extendidos y con mejores perspectivas para su desarrollo, implementación y generalización de su uso:

- Ebullición- Desinfección por la acción combinada del calor y la radiación UV del

sol (Método SODIS)- Desinfección solar utilizando solamente el calor del sol, utilizando

cocinas o colectores solares.- Desinfección utilizando lámparas UV.- Cloración y almacenaje en recipientes adecuados

Figura 1: Algunos métodos para el tratamiento del agua a escala doméstica

Uno de los mayores problemas a enfrentar previo al tratamiento por cualquiera de los métodos mencionados es la turbidez del agua. Esto es especialmente contraproducente debido a que reduce notablemente la eficacia de algunos de los métodos (especialmente en los casos de la desinfección utilizando UV), además de dar un aspecto desagradable al agua tratada.

Los métodos de pre-tratamiento mas accesibles pueden ser:

- Sedimentación.- Filtrado con telas o membranas.- Filtrado con arena y grava.

Entre ellos el método de filtrado con grava y arena es el mas fácilmente adaptable para el uso a escala doméstica.

Ebullición Cloración Método SODIS Desinfección solar


2.1 El método SODIS

Se debe destacar que uno de los métodos más simple, practico y económico es el método SODIS desarrollado por científicos del Instituto Federal Suizo en Ciencias del Ambiente y Tecnología (EAWAG). Este método consiste en cuatro pasos, ellos son:

1. Utilización de algún sistema de filtración del agua (en caso de ser necesario) para disminuir la turbidez del agua.

2. Colocar el agua en botellas transparentes (usualmente botellas descartables de PET) de entre 1 y 2 litros de capacidad, dichas botellas deben ser pintadas de negro un una de sus mitades.

3. Aireación del agua a través de la agitación fuerte de las botellas4. Exposición de las botellas al sol durante aproximadamente 5 horas o

más, dependiendo del clima.

La desactivación de los agentes patógenos del agua en este método es debida a la acción combinada de la radiación ultravioleta y la temperatura, la cual es suficiente para desactivar un gran porcentaje de los virus, bacterias y parásitos del agua en un tiempo comprendido entre una y varias horas. La acción combinada produce un efecto superior a la acción aislada de cualquiera de los dos agentes.

2.2 El método de pasteurización solar

La pasteurización es otro método alternativo para la obtención de agua apta para el consumo, cuya relación de tiempo / temperatura conduce a la destrucción de gérmenes patógenos que pudieran estar presentes en el agua. Este proceso destruye los organismos coliformes y otras bacterias no termo resistentes. Afortunadamente, la mayor parte de los patógenos se encuentran en este grupo.

Se ha observado que al calentar el agua por arriba de los 62.8ºC durante 30 minutos ó 71.7º durante 15 segundos son suficientes para remover las bacterias, rotavirus y enterovirus transmitidos por el agua contaminada. Asimismo, los quistes de Giardia lamblia que generalmente son resistentes a la cloración, se inactivan fácilmente a 56ºC durante 10 minutos.


Gráfico temperatura-tiempo para la pasteurización del agua en forma segura (Feachem et. al. 1983).

El calentamiento del agua utilizando la radiación solar es mucho mas accesible, económico y tecnológicamente factible que el calentamiento utilizando combustibles. En el medio rural la pasteurización puede llevarse a cabo en cocinas o en colectores solares

2.2.1 Calentamiento del agua utilizando colectores solares

Este es un método sencillo y relativamente de bajo costo. Comparado con el método SODIS tiene la ventaja de ser un sistema autónomo (dependiendo de la complejidad del sistema), no necesitando gran cantidad de atención por parte de la gente para su utilización. Además, según la calidad de los componentes utilizados puede llegar a ser completamente libre de mantenimiento durante períodos de tiempo prolongados.

Sus principales ventajas se indican a continuación:

- Para su implementación no se necesita ninguna fuente de energía convencional

- No es necesaria la utilización de sustancias químicas tóxicas- Los equipos utilizados son, en la mayoría de los casos, sencillos y

de bajo costo. Además se amortizan en relativamente poco tiempo y proporcionan agua potable durante muchos años

- Su uso no deteriora el ambiente


- Dependiendo de la calidad de los equipos, estos pueden llegar a operar durante largos períodos de tiempo no necesitando ningún tipo de mantenimiento

- Son de fácil utilización, no existiendo por ello necesidad de capacitación especial para su utilización

3. Diseño y construcción del equipo

Al conocer la existencia de equipos comerciales de potabilización solar, se planteó como objetivo obtener un equipo de similares prestaciones al comercial, pero reduciendo su costo. Por ejemplo un equipo para tratar alrededor de 20 litros de agua por día cuesta U$s 295, en tanto un sistema capaz de tratar mas de 500 litros de agua por día cuesta U$s 2600.

Figura 3: Equipos comerciales para la pasteurización solar de agua

El objetivo establecido para nuestro equipo fue obtener un potabilizador de similares dimensiones al equipo comercial pequeño, capaz de tratar igual o mayor cantidad de agua por un costo no mayor que $ 250. Así, el prototipo deberá ser capaz de abastecer de agua a una familia. A su vez, y para el caso de pequeñas comunidades se deberá contemplar la posibilidad de aumentar el área de captación y por consiguiente la capacidad de producción uniendo entre si varios equipos, esto es obtener un sistema modular y ampliable en función de la demanda de agua. Al plantear la construcción del colector plano destinado a la potabilización de agua se consideró entonces la posibilidad de construirlo en forma de módulos. La superficie total proyectada es de 1m² dividida en tres módulos. De esta manera se construye un módulo con una superficie de 0.33 m². y los resultados obtenidos con éste se extrapolan al conjunto.


Al presentar éste proyecto en el concurso de la Secretaria de Extensión Universitaria el requisito principal que se debió respetar es el de satisfacer la necesidad de volcar los conocimientos adquiridos en cualquiera de las facultades pertenecientes a esta casa de altos estudios en la sociedad, principalmente en los estratos sociales más necesitados.

La intención de los becarios y del director de beca es ver aplicado éste proyecto en zonas necesitadas, buscando innovar tecnológicamente pero haciendo uso de un criterio práctico. Sabemos que nuestra sociedad o gran parte de ella es en cierta forma algo escéptica respecto de las innovaciones tecnológicas. El uso de la energía solar con diversos fines no constituye una novedad en el mundo, pero si en el medio donde está pensado destinar este artefacto. Si esta novedad, así por decirlo, es presentada con un elevado costo de adquisición o construcción y con materiales onerosos, lamentablemente se está condenando al fracaso este implemento por loables que sean nuestras intenciones.

El criterio de construcción es el hacer uso de materiales que se encuentren en nuestro medio y que en lo posible el ensamblaje de éstos sea fácil, con poca participación de mano de obra especializada, ya que la existencia de ésta incrementa el valor final. En ciertos puntos, luego de una adecuada investigación y relevamiento se tuvieron que tomar soluciones de compromiso teniendo en cuenta siempre, tanto el costo individual de los componentes de la planta potabilizadora como el costo del montaje.

La planta potabilizadora puede dividirse para un mejor entendimiento en conjuntos. Éstos serán:

- Estructura de soporte.- Marco del colector.- Colector plano.- Superficie transparente.- Conexiones.- Depósito de almacenamiento.- Termostato.- Aislamiento

A continuación se detallan cada uno de los conjuntos y sus particularidades. La extensión de cada ítem tiene relación directa con su costo como se verá.

Estructura de soporte

Se hace uso de perfiles metálicos, ensamblados entre sí con bulones. Su función es soportar todos los demás conjuntos anteriormente enunciados. Este conjunto debe soportar el accionar del viento en situaciones extremas, por lo que el requerimiento de éste es que sea resistente a esfuerzos de tracción y corte.


Marco del colector

Está construido de perfil extruído de aluminio. La razón de la selección de éste está fundada en el hecho que debe brindar rigidez al conjunto, ser liviano y con el montaje adecuado brindar condiciones de hermeticidad, además de que el aluminio es prácticamente inalterable ante la acción del tiempo y de la humedad. El aluminio extruído posee formas intrincadas las cuales pueden ser aprovechadas para brindar alojamiento a la superficie transparente y al conjunto de la placa colectora.

Colector plano

Está compuesto por materiales que exigieron la aplicación de un criterio económico, tecnológico, de respeto por normas sanitarias, y de las facilidades del medio. Está compuesto de la placa absorbedora y los caños colectores que transportan el agua.

Un punto trascendental es el tecnológico. Este punto influye en el ensamblaje de la placa absorbedora y los caños. La razón está fundada en el costo independiente del Cu y el Al (una chapa de cobre cuesta mas del doble que una chapa de iguales dimensiones del aluminio) y por el costo de la soldadura necesaria para el ensamble. Los materiales comúnmente empleados son el cobre (Cu) y el aluminio (Al), por lo tanto las combinaciones posibles son: Al-Cu; Cu-Cu; Al-Al. El tipo de soldadura adecuado para su unión entra en la calificación de soldaduras especiales lo cual incrementa el presupuesto ya que se está hablando de mano de obra especializada.

Otro criterio de peso en la selección entre el Cu y el Al es el sanitario.

La abundancia de información disponible habla de la inconveniencia del uso del Cu en instalaciones para el transporte de agua de consumo o eventualmente de las medidas de precaución para permitir su uso, lo que una vez más no hace mas que encarecer el costo.

Este punto tiene su más importante respaldo en documentos publicados desde 1991 por The United States Environmental Protection Agency (EPA), quien ha publicado distintas regulaciones y controles en el uso del cobre destinado al agua de consumo. Estas regulaciones son conocidas como Lead and Copper Rule (LCR) y sus revisiones del 2000, publicadas como Lead and Copper Rule Minor Revisions (LCRMR).

Una opción de uso constituía el uso del material o aleación denominado Hidrobronz, pero pronto fue desechada por su excesivo costo y por la presencia de Cu, ya que Hidrobronz sólo es el nombre comercial de una aleación de cobre.

Los pocos puntos en contra del aluminio, su amplia difusión y los costos de la soldadura terminó por inclinar la decisión en favor de éste tanto para la placa absorbedora como para los caños.


Superficie transparente

Al decidir qué superficie transparente adoptar, las opciones son: vidrio o policarbonato alveolar. Ambos materiales tienen un costo elevado en nuestro mercado, pero dadas las condiciones del proyecto no se puede prescindir de éstos materiales. Ya que el criterio aplicado es el económico, se debe justificar el porqué de una determinada elección.

Las cualidades que debe cumplir una superficie transparente son:

- Provocar efecto invernadero y minimizar las pérdidas por convección ya que éstas influyen negativamente en el rendimiento.

- En combinación con el conjunto carcasa, asegurar la estanqueidad del colector al agua y al aire.

- Buena transmitancia, transparencia a las longitudes de onda entre 0.3 y 3 mm, y opacidad ante longitudes de onda superiores.

- Un coeficiente de conductividad térmica bajo, que impida el paso desde la superficie interior a la exterior lo que influye en el rendimiento.

- Coeficiente de dilatación pequeño.

El vidrio aconsejado a usar es el vidrio templado, ya que un vidrio común no está apto para soportar la presión del viento o el granizo. El policarbonato por otra parte cumple con éstos requisitos, es más liviano y transportable, la densidad del vidrio es de más del doble respecto al policarbonato. Pero al ser un material plástico sufre un envejecimiento con el tiempo y la exposición al sol.

Existen publicaciones que estudian el comportamiento en forma comparativa de ambos materiales, siendo un respaldo en el ámbito local, las experiencias desarrolladas por la Facultad Regional Resistencia de la Universidad Tecnológica Nacional.

En vista de las anteriores explicaciones se adoptó el policarbonato por su costo, por su seguridad y facilidad en el montaje como por su facilidad de transporte.

Conexiones

Éste punto tiene en cuenta los accesorios utilizados en el colector, como acoplamientos, curvas, tuberías exteriores, y su aislamiento térmico. Estos implicaron un costo elevado por la cantidad, por su origen (importados), o por la complejidad de su manufactura.

Algunos componentes, como ser los acoplamientos (o cuplas), sufrieron pequeñas modificaciones constructivas para adaptarlos a nuestro fin. Éstas son la adaptación a las cañerías de aluminio que cumplen la función de colectoras de los adaptadores dobles plásticos de media pulgada a los que se mecanizó eliminando la rosca interna original para permitir su ajuste a presión con el caño de aluminio.


Aunque esta operación implica un costo económico, su realización puede ser realizada por cualquier tornero de nuestro medio no requiriéndose para tal fin una mano de obra especializada.

Depósito de almacenamiento

En la construcción del tanque de almacenamiento del agua potabilizada, en busca de lograr una economía que compense los costos involucrados con el ensamblaje de la placa y los caños y los accesorios de plomería se recurrió a la construcción del tanque.

Para ello se hace uso de un material común y conocido por todos, el caño de PVC. La construcción consiste en ensamblar el tanque de acuerdo al consumo. El parámetro que permite determinar el volumen almacenado es el diámetro original del caño. Luego de pegar las tapas se realizan las perforaciones necesarias para las conexiones que permiten la extracción del agua.

Válvula de control

Uno de los componentes mas importantes del potabilizador es la válvula de control. La cual está constituida por un elemento sensor, el cual regula la apertura y cierre del paso de agua desde el colector.

El elemento sensor utilizado en los equipos comerciales suele ser una válvula termostática que contiene cera en su interior, la cual al calentarse hasta una temperatura determinada cambia de fase y produce por consiguiente un aumento de presión que mueve un vástago que abre la válvula; al producirse luego el enfriamiento la cera vuelve a cambiar de fase y permite el cierre de la válvula por la acción de un resorte.

Al ser este el mismo principio de funcionamiento de los termostatos utilizados en los sistemas de refrigeración de los motores de los automóviles, se decidió adaptar uno de ellos para su utilización en la válvula de control del potabilizador. Para tal fin fueron probados dos modelos de termostato, comprobándose que los mismos se comportan de manera similar estando regulada su apertura a los 77ºC y su cierre a los 75ºC (las temperaturas mencionadas fueron determinadas utilizando un termómetro de mercurio). Entre las opciones se optó por incorporar a la válvula uno de los dos termostatos utilizando como criterio de selección entre ellos la facilidad para adaptarlo a su nuevo uso.

Se debió realizar la construcción de una carcaza para alojar el termostato y se utilizaron además distintos tipos de sellos de goma para asegurar el cierre hermético de la válvula.


Aislantes

Los aislantes empleados fueron:

- lana de vidrio.- poliestireno expandido (telgopor).- madera hidrófuga (aislada con resina fenólica)

Éstos se encuentran aislando a la placa absorbedora por debajo, formando un "sandwich". En forma lateral, los perfiles de aluminio están rellenos de telgopor compactado.

4. Primeros ensayos y ajuste del diseño

En una primera instancia se utilizo para el equipo una configuración similar a la de un calefón solar con convección natural con la intención de que el colector fuera capaz de calentar el agua del tanque o almacenador hasta una temperatura suficiente para producir la pasteurización del agua. En la siguiente fotografía se muestra la configuración original del prototipo.

Configuración original del prototipo

Una vez armado el equipo se realizó una serie de ensayos con el fin de determinar el tiempo de calentamiento y la temperatura alcanzada por el agua dentro del tanque. Las temperaturas fueron determinadas utilizando termómetros de mercurio. Se muestran a continuación los resultados obtenidos en uno de dichos ensayos.


Ensayo realizado el 4/8/2003. Temperatura dentro del tanque

Se puede observar que luego de alcanzar los 55ºC la temperatura no aumentó mas, siendo por consiguiente esta la temperatura de estancamiento del colector, para la cual la cantidad de calor disipado como pérdidas por convección y radiación al ambiente igualan a la cantidad de calor aportada por la radiación solar.

Este resultó un factor limitante para la aplicabilidad de la configuración propuesta, debido a que la única mejora posible para alcanzar temperaturas mayores era utilizar superficie selectiva en el absorbedor del colector, y mayor aislación, lo cual hacía encarecer los costos. Sin embargo, durante los ensayos realizados con el colector se observó que a la salida del mismo el agua llegaba a alcanzar temperaturas mayores que 90ºC, tal como se muestra a continuación.

Ensayo realizado el 6/8/2003. Temperatura a la salida del colector

En base a esto se decidió cambiar la configuración del equipo, eliminando el tanque de almacenamiento, y colocando la válvula de control a la salida del colector.

Al realizarse ensayos con esta nueva configuración se determinó que la producción diaria era de poco mas de 10 litros de agua, resultando insuficiente al compararla con la del modelo comercial.


Para solucionar este inconveniente se decidió incorporar una etapa de precalentamiento con el fin de aprovechar el calor latente del agua pasteurizada Entonces se decidió agregar un intercambiador de calor de manera de precalentar con el agua pasteurizada el agua que entra al colector.

Se construyeron para tal fin dos tipos de intercambiador, los que se describen a continuación:

1- Intercambiador con circulación a contracorriente: en el cual el agua caliente pasa por el interior de un caño arrollado en espiral y calienta el agua fría que pasa por la carcaza del intercambiador.

Intercambiador a contracorriente

2- Intercambiador con circulación en sentidos paralelos: de construcción mucho mas sencilla, consiste en un caño de aluminio (por el que circula el agua caliente) que pasa por el interior de una cañería de material plástico de ½” por el que circula el agua que entra al equipo.

Comparándolos entre si el intercambiador 1 pose un mejor rendimiento, pero al mismo tiempo tiene un mayor costo de materiales y mayor dificultad para su construcción. El intercambiador 2 es muy fácil de construir y además con una buena aislación puede mejorarse su rendimiento.

Entrada agua contaminada

Salida agua pasteurizada

Agua pasteurizada desde la válvula de control

Agua contaminada precalentada


Con estas modificaciones quedo definido el diseño del prototipo, el cual se muestra en las siguientes fotografías:

Vista frontal del prototipo

Vista posterior del prototipo

Válvula de control

Cierre posterior (Madera hidrófuga)

Intercambiador de calor

Estructura metálica de soporte

Válvula de control

Entrada de agua

Válvula de purga. Para mantenimiento

Intercambiador de calor (sin aislación)

Salida de agua pasteurizada


Detalle de la válvula de control

5. Ensayos de funcionamiento del prototipo

Una vez establecido el diseño final se procedió a realizar una serie de ensayos con el fin de evaluar el comportamiento del equipo. En la siguiente fotografía se muestra la disposición típica utilizada en los ensayos:

Disposición utilizada en los ensayos

Los ensayos consistieron básicamente en medir la temperatura del agua a la salida de la válvula de control de manera de verificar que la misma se abre a

Cuerpo o carcaza de la válvula de control

Salida de agua pasteurizada al intercambiador

Válvula de purga.

Salida del colector

Depósito de alimentación

Potabilizador solar

Bandeja de recolección del agua tratada


una temperatura apropiada para asegurar la eficacia del proceso de pasteurización.

La temperatura de salida del agua de la válvula termostática fue prácticamente la misma en todos los ensayos, variando entre el instante de apertura y el de cierre de la válvula:

Temperatura en el momento que abre la válvula 90ºC

Temperatura en el momento que cierra la válvula 75ºC

Se observa que las temperaturas alcanzadas son lo suficientemente elevadas como para estar en la zona segura del gráfico temperatura-tiempo para la pasteurización del agua en forma segura de la página 5 de este informe.

Si bien en un principio se había pensado realizar pruebas bacteriológicas para demostrar la eficiencia del prototipo para inactivar coliformes fecales (utilizados generalmente como indicadores de la contaminación microbiológica del agua), se considera que las elevadas temperaturas alcanzadas son suficientes para asegurar la inactivación de los agentes patógenos del agua.

Se midió también el volumen de agua producido en cada descarga, como así también la producción horaria y la producción total en los días en que se hizo trabajar al prototipo en forma continua.

Se observó que el equipo tarda aproximadamente ½ hora desde el momento en que comienza a recibir radiación solar hasta que se produce la primera descarga, este tiempo es variable en función principalmente de la nubosidad debido a que de ella depende la cantidad de radiación que incide en el colector.

Una vez producida la primera descarga, el equipo produce aproximadamente ½ litro de agua cada 10 minutos, totalizando 3 litros por hora. El tiempo mencionado aumenta con la nubosidad, por la misma razón explicada anteriormente. Considerando 6 horas diarias de insolación se tendrán 18 litros de agua pasteurizada por día.

Estos ensayos fueron realizados en forma intermitente desde el 10/11/2003 hasta Febrero del 2004.


Con el fin de cuantificar las perdidas se relevaron las temperaturas en el marco del colector utilizando un termómetro digital con termocuplas de contacto, los resultados se indican en el siguiente croquis:

Se observa que existen elevadas temperaturas en todo el marco de aluminio, encontrándose los mayores valores en la parte superior del mismo, debido a la convección natural del aire dentro del colector.

Estas elevadas temperaturas ponen en evidencia las perdidas de calor que se producen desde el colector. Ellas son atribuibles por una parte al tamaño del colector debido a que está comprobado que colectores pequeños poseen mayores pérdidas por los bordes, y además al poco espesor de aislación. Una posible mejora para evitar las perdidas de calor causantes de las temperaturas observadas sería utilizar aislación de mayor espesor.

Debido a que no se tenían datos sobre el comportamiento de una cubierta de policarbonato ante el granizo, se dejó el equipo a la intemperie durante una tormenta, luego de la cual se inspecciono visualmente, no encontrándose marcas visibles en el policarbonato ni roturas del mismo. El tamaño medio de la piedra caída fue de alrededor de 8 mm de diámetro.

Queda, como tarea pendiente, observar el comportamiento del potabilizador en un período mayor de tiempo, con el fin de determinar si el colector plano y la válvula termostática diseñados continúan trabajando en forma confiable, en el caso particular de la válvula de control se debe verificar que la misma continúe abriendo a la misma temperatura, y que no se produzcan pérdidas o goteos de agua contaminada entre descargas.

63º64º 65º

57º

56º

55º 57º

54º

48º50º 50º

55º

Temp. Ambiente 34º C


6. Conclusiones

En función de los resultados obtenidos se concluye que el equipo diseñado y construido es capaz de realizar la pasteurización del agua en forma segura.

Sin embargo se debe hacer notar que la capacidad de producción diaria del prototipo puede ser igualada utilizando el método SODIS con 10 botellas transparentes de 2 litros (por ejemplo) y sin ningún costo inicial ya que se utilizan botellas descartables, siendo el mayor costo del método SODIS la mano de obra o tiempo de atención que este requiere diariamente. Esto hace que resulte poco conveniente la utilización de potabilizadores solares a escala doméstica, ya que a dicha escala puede ser mas sencillo implementar la utilización del método SODIS como se explicó anteriormente ó también la pasteurización solar pero utilizando cocinas solares, las cuales son de mucho menor costo.

Por ello se considera que el sector al que se debe apuntar para la utilización de potabilizadores solares como el diseñado debe ser el de pequeñas comunidades y escuelas en zonas rurales. A su vez, para satisfacer el consumo diario de este sector se deberán utilizar potabilizadores con colectores solares planos de mayor tamaño de manera de aumentar la producción diaria de agua, ya sea utilizando módulos del tamaño del prototipo ensamblados en serie, o directamente colectores de mayor tamaño. Con esta última opción se reducirían además las pérdidas de calor.

Si se considerara el aspecto comercial, el sector al que se puede apuntar para implementar el uso de potabilizadores solares similares en tamaño y capacidad al prototipo es el de aquella gente que por desconfiar de la calidad del agua de red compra agua en botellas o bidones, es decir que ya está dispuesta a pagar un costo extra para obtener agua segura. También se puede mencionar a los habitantes de barrios cerrados alejados de la red de suministro, quienes necesariamente deben comprar agua en forma periódica. En estos casos el costo no es una limitación, por lo cual se puede mejorar la calidad de los materiales y además se debe prestar mejor atención a la parte estética del potabilizador. .


7. ReferenciasGuidelines for drinking water quality, third edition, 2003. World Health Organization (WHO).

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Eduardo Perez Lebeña Conversão Térmica da Energia Solar, SPES

Curso de Energía Solar, Inst. Tecn. y de Est. Sup. de Occidente, Editora Tlaquepaque, México.

Solar Water Heater, Volunteers in Technical Assistance (VITA – Publication)

Energía solar como herramienta de desarrollo:

Diseño de un concentrador solar

Ing. Alejandro Anibal Dominguez

Ing. Pablo A. Aramayo

Secretaría de Extensión UniversitariaUniversidad Nacional de Córdoba

1. Introducción

La realización de un sistema concentrador solar para la transformación de la energía solar en otro tipo de energía convencional debería cumplir la condición de ser económica, realizada con componentes que se encuentren en plaza.

Un sistema de concentración óptica permite lograr mayores densidades de flujo y con ello temperaturas más elevadas. Un modelo simplificado de un sistema de concentración podría ser formado por un concentrador óptico ideal, un receptor solar que se comporte como un cuerpo negro solamente presentando pérdidas por emisión y una máquina o motor térmico con un rendimiento ideal de Carnot. El rendimiento del sistema vendrá marcado entonces por el balance de pérdidas radiactivas y convectivas en el receptor solar.

La concentración tiene el inconveniente de rechazar incidentalmente la radiación solar difusa que no tiene una dirección preferente, y además requiere costosos equipos ópticos y mecánicos, por lo que se plantean unos límites prácticos a los máximos teóricos alcanzables, el hecho de no aprovechar la radiación difusa, sino la componente directa de la radiación es una limitación. A esto hay que añadir la propia limitación de que el Sol no es una fuente luminosa puntual y que en base al ángulo sólido que subtiende de 32’ se establece un valor de máximo de concentración C=46.200. En el diseño de un concentrador solar se ha de prestar atención no sólo al tamaño del Sol, sino también a su forma o Sunshape. La dispersión y la absorción en la fotosfera solar modifican la distribución uniforme de la irradiancia esperada en un radiador de cuerpo negro, por lo que la distribución uniforme se reemplaza frecuentemente por una distribución de "periferia oscurecida", más realista. A esto hay que añadir otros efectos propios de los errores de curvatura y de

ondulación de la superficie reflectante, o de aberración en la imagen por interceptación del rayo reflejado, así como los errores propios del mecanismo de seguimiento solar. La consecuencia de la convolución de todos estos errores hace que del concentrador parabólico ideal con foco puntual pasemos a un concentrador con una imagen de perfil Gaussiano.

Los colectores de concentración utilizan sistemas ópticos reflectores y en algunos casos muy particulares, refractores, para aumentar la intensidad de la radiación solar que se dirige sobre una superficie receptora que la absorbe, (lentes Fresnel y lentes de líquido). Cuanto mayor sea el flujo solar sobre esta superficie, menor será la zona necesaria para conseguir el mismo efecto térmico sobre un fluido, lo que supone una reducción de las pérdidas térmicas. Sin embargo aparecen otros tipos de pérdidas como son el que estos colectores funcionan únicamente con la componente directa de la radiación y pérdidas ópticas por defectos de enfoque y dirección. Otros problemas son:

a) Complicación de las características ópticas por precisar de sistemas de orientación y seguimiento del Sol aprovechando al máximo la radiación solar incidente.

b) La existencia de flujos no estacionarios en los fluidos que circulan por el receptor.

c) Grandes variaciones tanto en la forma y diseño, como en las temperaturas y pérdidas térmicas de las superficies receptoras absorbentes. La amplia gama de configuraciones permiten la consideración de una serie de nuevos parámetros de diseño.

d) Mayor complejidad con la introducción de factores ópticos adicionales, que complican los balances energéticos.

e) Una mayor calidad en los sistemas ópticos, ya que tienen que trabajar durante largos períodos de tiempo, lo que implica el que deben mantener inalterables sus propiedades ópticas contra la suciedad, erosión, oxidación, condiciones climáticas, etc.

Estas consideraciones suponen un mayor coste del colector lo que introduce algunas restricciones en su utilización, aunque la aplicación de nuevos materiales reflectantes y mejoras en los sistemas de seguimiento, les confieren una cierta importancia práctica. La intensidad de la radiación en las superficies receptoras es tal que implica alcanzar temperaturas relativamente elevadas y una mayor precisión en los mecanismos de seguimiento del Sol y enfoque en la superficie receptora, lo que encarece el equipo.

2. Metodología

Luego de ésta introducción bastante teórica informativa explicaremos los pasos llevados a cabo. Primeramente el trabajo consistió en el acopio de material

bibliográfico adicional al disponible, para de ésta manera elaborar un marco teórico al proyecto.

Se procedió al estudio de las distintas clases de concentradores parabólicos lineales y puntuales donde los mayores inconvenientes del tipo económico se presentaron al considerar la tecnología empleada al construir un mecanismo de seguimiento del Sol, punto que se justifica si se aprovechan plenamente las propiedades ópticas de los materiales a emplear en la superficie reflectante, lo que implica también tratamientos térmicos que puedan llegar a emplearse, o el tipo de trabajo mecánico eventual. Todas éstas opciones son en función de la elección: concentrador parabólico lineal o concentrador parabólico puntual, ninguna de las cuales es más o menos económica.

En una primera instancia se construyeron modelos de concentradores haciendo usos de espejos cóncavos del Laboratorio de Física los cuales tienen una buena terminación superficial pero cuyo principal inconveniente era su tamaño pequeño y la corta distancia focal.

También se experimentó construyendo un pequeño concentrador lineal por medio del proceso de rolado de planchas de aluminio siguiendo técnicas de modelismo. Por éste medio se realizaron cálculos de parábolas y se ensayo la construcción de una matriz sobre la cual moldear la superficie reflectora. El inconveniente encontrado está dado en la pasivación del aluminio, o sea el recubrimiento de la superficie por una capa de óxido.

Concentrador lineal

Estos elementos fueron usados en su momento para hacer demostraciones ante los asistentes del curso dictado en nuestra facultad y sus fotos pueden observarse adjuntas a éste informe.

Al presentar éste proyecto en el concurso de la Secretaria de Extensión Universitaria el requisito principal que se debía respetar era el de satisfacer la necesidad de volcar los conocimientos adquiridos en cualquiera de las facultades pertenecientes a esta casa de altos estudios en la sociedad, principalmente en los estratos sociales más necesitados. Nuestro objetivo particular era lograr resultados de la forma más rentable, según un viejo dicho de ingeniería: “bueno, bonito y barato”. Al llegar a éste punto nos dimos cuenta que no podíamos cumplir con uno de los objetivos, la economía y la simplicidad, que sí fue lograda con el concentrador plano; llegándose a la

conclusión que ésta tecnología puesta en los sitios donde deseamos que sea aplicable pronto caería en el desuso, por estar las personas poco familiarizadas a ésta, por sus formas abstractas y sus materiales caros. Un ejemplo más conocido de “fracaso” son las conocidas cocinas solares parabólicas que llegan donadas de otros países y que, mal que nos pese, nunca las vemos en funcionamiento salvo ante las pantallas de televisión. Dados los inconvenientes presentados consideramos que el trabajo debía orientarse desde el punto de vista de la innovación tecnológica con la idea de preparar un prototipo para, posteriormente solicitar la oportunidad de ser acreedores a una nueva beca con el conocimiento de los hechos reales a los cuales atenerse y tomando esto como un desafío para dos jóvenes ingenieros alentados por “viejos” ingenieros, como el Prof. Ing. Gazzera, que recuerdan en un tiempo la existencia de estudios a nivel de la CONEA pero que por los cambios políticos que sufriera nuestro país en las décadas pasadas quedaron en el olvido.

La intención de los becarios y el director de beca Prof. Ing. Fernando Arenas es ver aplicado éste proyecto buscando innovar tecnológicamente pero haciendo uso de un criterio práctico. Basándonos en éste punto es que decidimos hacer uso de lo presente en el mercado, y que puede ser observado por cualquier transeúnte en ciertas zonas, las antenas parabólicas abandonadas por empresas como Direct TV. Por la gestión del Prof. Ing. Alaníz perteneciente al Depto. de Fisica de esta facultad, se consiguió la donación de una antena de este tipo a la que se procedió a desmontar y eliminar los elementos que no eran de nuestra utilidad y a diseñarle una plataforma donde montar una planta motriz que es controlada por un circuito seguidor del sol. Las ilustraciones y planos complementarios se encuentran al final de éste apartado.

En las fotos pueden observarse los ensayos realizados en el Laboratorio de Termotecnia.

3. Desarrollo del concentrador parabólico

La antena de comunicaciones devenida en concentrador solar tuvo algunas modificaciones, como ser la disminución de la longitud del caño soporte y la eliminación del dispositivo receptor de señales, el cual es reemplazado por un soporte para la fijación de distintos elementos, como ser termocuplas, aprovechando que se conoce la posición exacta del foco de la parábola.

El equipo consta de los siguientes componentes:

· Estructura de soporte de perfilería metálica.

· Eje con rodamientos blindados de goma.

· Disco parabólico.

· Concentrador.

· Mástil de sujeción modificado.

· Base de apoyo del mástil.

· Motor de accionamiento con reductor.

· Circuito electrónico de control de seguimiento.

3.1 Superficie concentradora

Las superficies reflectantes de los concentradores deben tener una alta reflectancia, lograda con una buena terminación superficial, tal que reflejen con la menor pérdida óptica posible los rayos solares al punto de concentración, el foco. Un requisito adicional para una buena reflexión es que posea la superficie

una buena resistencia a la intemperie por estar sujeta a la acción directa del medio ambiente con el consiguiente riesgo de corrosión y erosión.

Los materiales adecuados son los espejos o algunos metales con un alto acabado superficial y por lo tanto costo inicial. Según la elección del tipo de concentrador se puede minimizar el costo en un concentrador bidimensional por el uso de bastidores de hierro sobre los cuales montar láminas flexibles de acero inoxidable y en el caso de un concentrador tridimensional haciendo uso de una antena, que es nuestro caso particular.

Entre las formas de mejorar la reflectancia de ésta superficie se experimentó inicialmente

1. la aplicación de pinturas especiales, al cromo, para posteriormente pulirlas obteniendo un acabado espejo fallido.

2. La aplicación de láminas de aluminio, empleado en cocina, sobre la superficie tal que oficien de pequeños espejos, como si fueran lentes de Fresnel.

Estos recursos se caracterizan por tener una corta vida útil y se llevaron a cabo con el fin de la experimentación en condiciones controladas, para evitar un gasto mayor. Al experimentar en condiciones controladas, nos referimos a bajo techo o en cortos períodos a la intemperie por ello lo precario del revestimiento espejado. Pero finalmente se recurrió

3. al electroplaqueado con metales reflectivos, tales como el níquel o el cromo.

Se decidió finalmente cromar la superficie cóncava, con vistas a encarar el proyecto en una forma más ambiciosa en el presente año 2004. Sin embargo esto también tuvo sus inconvenientes ya que la magnitud de las dimensiones planteadas no eran aceptadas por los talleres, que además argüían el inconveniente de las superficies cóncavas o convexas. Como solo ejemplo basta citar que el cromado y pulido de un guardabarro de una moto es de cerca de $ 110.

3.2 Seguimiento

Lo primero llevado a cabo sobre la antena donada fue el desmontaje de ésta eliminando las partes no necesarias a nuestras necesidades, prestando atención especial al disco receptor y al sistema de sujeción y regulación de acimut de la antena.

3.3 Receptor

Al ser un concentrador puntual es necesario considerar el diseño de un mecanismo de seguimiento del Sol. Al ser una antena comercial donde ya viene montado en su foco el receptor de ondas no se tiene necesidad de calcular el foco de la parábola. El receptor está fijo respecto a la superficie concentradora por una barra y a ésta se fijará en el futuro un motor tipo Stirling por el cual circulará el fluido de trabajo. Por la forma original de montaje es que planteamos mover el sistema completo que sigue al sol mientras se mueve.

Puede apreciarse la barra donde originalmente estaba el receptor de ondas. Así mismo a simple vista puede verse la

ubicación del foco de la parábola

3.4 Mecánica

Entre los sistemas de arrastre y control del colector para mantenerlo apuntado al sol existen medios hidráulicos, mecánicos, electromecánicos, etc. Entre éstos ejemplos existen montajes de relojería, el empleo de un motor eléctrico y un reductor de velocidad por cada eje de giro.

En forma simple puede utilizarse un motor síncrono que gira a la velocidad media del sol, normalmente, se emplean sistemas de control de bucle cerrado. Los captadores de la orientación del sol y del colector proporcionan cada uno

una señal proporcional al ángulo (de elevación o de acimut) a partir de los cuales el controlador genera una señal de error. Esta actúa sobre el sistema de control del motor que genera las señales amplificadas moviendo el motor y por lo tanto al colector.

La antena se encuentra abulonada sobre un bastidor que a su vez esta fijo a un eje. Este eje que descansa sobre dos rodamientos blindados de goma, por trabajar en la intemperie y donde el movimiento es comunicado por un tornillo al piñón sujeto al eje. Entre los tipos de motores adecuados se optó por un motor con reductor, del tipo de los utilizados en los limpiaparabrisas y levantavidrios de automóviles.

Vista de la estructura metálica de perfiles de soporte y parte mecánica. Conjunto montado en forma parcial

3.5 Sistema electrónico de seguimiento

La condición principal que debe reunir el sistema es recoger la mayor cantidad posible de energía recibida en un determinado lugar. Un concentrador parabólico tiene el inconveniente que al ser puntual tiene que tener un sistema de seguimiento del sol tal que el vector unitario perpendicular al plano del concentrador tiene que coincidir con el vector unitario solar; dicho en otras palabras menos técnicas la superficie de abertura del colector será normal a los rayos solares incidentes.

Un montaje de éste tipo requiere la composición de dos movimientos o giros sobre dos ejes o combinación de éstos. Esta combinación se conoce como altitud-acimut, movimiento que consiste de giros alrededor de un eje vertical y otro horizontal, perpendicular a éste, existiendo movimientos relativos. Esta configuración permite gran robustez mecánica sin grandes complicaciones en la estructura y en los mecanismos de giro. Como desventaja la cinemática del movimiento de seguimiento del sol tiene su complejidad.

El sistema práctico y económico es una solución estática donde la energía colectada no es la máxima posible, pero puede resultar un valor aceptable si se da al colector una determinada inclinación, que depende de la latitud del lugar. Con ajustes estacionales de esta inclinación para conseguir mejoras.

Los sistemas de control pueden clasificarse en seguidores por sensores y seguidores que calculan la posición del sol en función de datos geográficos del lugar y la hora del día.

En el primer caso, el sensor suele estar constituido por pares de elementos foto-sensibles (fotorresistencias, fototransistores, fotocélulas, etc.) montados de tal manera que proporcionan una señal de salida nula cuando la orientación del panel coincide con la del sol y una señal positiva o negativa proporcional a la desviación, en caso de que no se dé tal coincidencia. En base al asesoramiento del Ing. Bobatto, el sistema adoptado fue el de fotosensores, donde no obstante existe un alto costo de los componentes electrónicos tales como circuitos operacionales y transistores.

La figura muestra un esquema de la ubicación de los componentes del concentrador parabólico.

4. Geometría solar

Para comprender mejor la importancia de la orientación es necesario un breve resumen de la geometría. La posición del sol puede ser calculada en un marco tridimensional conociéndose la latitud, la longitud y para especificar la posición sobre la tierra las coordenadas celestes requeridas, ambas en función del

tiempo, son la altitud angular (s) y el ángulo de acimut (s). Estos ángulos pueden apreciarse en la ilustración.

Las variables abajo desarrolladas son dependientes del tiempo y de la localización. El tiempo usualmente empleado es el tiempo solar que describe exactamente al sol respecto de cualquier hora local, para una determinada localización, teniendo en cuenta además una corrección dada por el hecho de que el Sol se adelanta y se atrasa respecto de la hora solar media, debido a dos efectos astronómicos, la excentricidad de la órbita terrestre y la inclinación del eje polar de la Tierra respecto de la órbita. Esta corrección es la ecuación del tiempo:

con n es el número de día del año.

Quedando finalmente la expresión del tiempo solar donde se convierte la hora civil local a hora solar corregida por E:

Donde Lst corresponde a la longitud geográfica del meridiano de referencia, mientras que Lloc es la longitud geográfica del meridiano local.

Consideremos ahora el cálculo de la radiación directa sobre una superficie. El flujo de energía sobre una superficie determinada depende además de la irradiancia existente de la orientación de la superficie respecto de la dirección de propagación de la radiación. La irradiancia será máxima sobre un plano que esté en posición normal a la dirección de propagación de la radiación y será mínima si el plano es .paralelo a la radiación. La intensidad de radiación sobre la superficie dependerá pues, del ángulo de incidencia de la normal de la superficie, respecto de la dirección de propagación de la radiación. La irradiancia incidente sobre la superficie será:

en donde GT se refiere a la irradiancia sobre un plano inclinado y Gn se refiere a la irradiancia medida sobre un plano normal a la dirección de propagación de la radiación, luego se adopta el valor de Gsc la constante solar. El ángulo tiene en cuenta que para cualquier inclinación el Sol describe un movimiento aparente a lo largo del día (de este-oeste), y otro a lo largo del año (de sur a norte y viceversa), por lo que el valor del ángulo varía con la fecha y la hora, además de la orientación del plano, su inclinación respecto de la horizontal y la latitud geográfica del lugar donde se encuentre el plano en cuestión.

La siguiente ecuación general relaciona todos los ángulos nombrados anteriormente, cabe decir que esta ecuación es bastante empleada pero en sus formas simplificadas.

El ángulo de incidencia puede ser relacionado por otros ángulos solares

Donde la declinación solar para un día del año dado es

Las siguientes ecuaciones simplificadas permiten calcular el ángulo de elevación del sol sobre el horizonte, s, y el acimut, s. dando una trayectoria exacta del sol en función de la latitud , el desplazamiento angular y la declinación solar , funciones del tiempo. Teniendo en cuenta que la declinación varía a lo largo del año debido a la inclinación de la eclíptica respecto al ecuador celeste pero se supone constante a lo largo de un día.

5. Transformación de la energía

Existen, entre otras, dos opciones posibles de transformación de la energía en sistemas de concentración como el estudiado. La primera de ellas hace uso del motor de vapor. Éste se caracteriza por ser mas económico, existe disponibilidad de modelos en el mercado y es una tecnología conocida, pero posee como principal desventaja la necesidad de utilizar vapor a alta presión con los riesgos consiguientes que esto produce. El uso de recipientes a presión es considerado riesgoso, existiendo regulaciones estrictas a nivel de normalización. Vale un ejemplo el código ASME que trata la problemática del uso de los recipientes a presión y calderas.

En un disco parabólico, el receptor absorbe la energía convirtiéndola en energía térmica. Los colectores parabólicos más eficientes, tienen relaciones de concentración de alrededor de 600 a 2000 y pueden alcanzar temperaturas superiores a los 1500 °C. Este tipo de sistema usa como fluido, aceite o vapor de agua.

Otra posible opción para la producción de energía es un motor desarrollado a principios del siglo XIX olvidado por los desarrollos logrados en las calderas durante la revolución industrial. Este motor es el denominado de ciclo Stirling.

El ciclo teórico de Stirling consta de cuatro etapas: dos transformaciones isócoras en las que el gas de trabajo pasa a través de un regenerador absorbiendo o cediendo calor, y dos transformaciones isotérmicas, en las que el gas está en contacto con una fuente caliente o una fría, a Tc y a Tf respectivamente. El ciclo se muestra a continuación en un diagrama P-V. Un sistema que realiza el ciclo Stirling está formado por un cilindro, un pistón de trabajo y un pistón de desplazamiento con un regenerador que divide al sistema en dos zonas, una zona caliente a Tc y una zona fría a Tf. El sitio de montaje lo constituye el foco del disco parabólico.

Como dato informativo puede decirse que el radio de concentración o coeficiente de concentración se define por la relación entre las áreas de apertura del colector y la del absorbedor.

Area neta de entrada de la radiación al colector

Area de concentración de la radiación

donde s es la mitad del ángulo subtendido por el sol y es igual a 0.27º. Al reemplazar este valor en la ecuación resulta que para un concentrador circular, una razón máxima de concentración posible es de 45.000.

Analizando el concentrador parabólico puntual, el área de apertura del colector Aa es igual a donde a, semieje mayor de la elipse y b es el semieje menor. Las dimensiones de la elipse que constituye el concentrador son:

mientras que área de concentración circular del receptor es para un diámetro de concentración de

Resultando una relación de concentración

Existe una expresión empírica que por medio de la temperatura medida en el foco permite calcular la relación de concentración C. Haciendo uso del camino inverso, partiendo de nuestra relación de concentración C podemos obtener la temperatura máxima teórica.

En esta expresión es función de:

Tsol, temperatura de la superficie solar se estima en 5527ºC (5800 K)

a, coeficiente de absortancia: 0.8

r: coeficiente de reflectancia: 0.6

inversamente

Este valor no es posible conseguirlo en la práctica por la existencia de pérdidas por reflexión, la sombra y la suciedad, la terminación superficial; pero no obstante constituye un buen pronóstico sobre las expectativas que tenemos sobre este concentrador.

En las imágenes puede verse el conjunto ensamblado en forma parcial, en instantes en que se realizan mediciones de temperatura en el foco. Puede

verse a simple vista el punto focal de la parábola

6. Primeros resultados

Nuestro objetivo inicial era construir un equipo económico que permitiera por el uso de la energía solar la producción de energía mecánica o eléctrica. Por las razones antes expuestas, materiales, tratamientos, en éste punto consideramos anticipadamente la imposibilidad de la economía, y por la complejidad del equipo nos encontraríamos ante un eventual rechazo de esta tecnología en la forma que se deseaba encarar el proyecto. Por charlas mantenidas con el Sr. Licenciado Raúl Montenegro, titular de FUN.AM, uno de nuestros auspiciantes. Este tipo de tecnología no tendría aceptación popular. Es por ello que nos propusimos continuar con el proyecto en colaboración con el Ing. Pablo Bobatto en su parte electrónica pero desde el punto de vista de la innovación tecnológica.

En una oportuna reunión que mantuvimos con el Prof. Ing. Artemio Sánchez titular de la Escuela de Aeronáutica y el Doctor Ing. Tamagno, profesor consulto de la Cátedra de Dinámica de Gases de la misma escuela, terminamos por decidirnos por confirmar esta óptica. Diseñar algo que pueda ser probado y construido totalmente en la F.C.E.F.y Nat., retomar antiguos estudios llevados a cabo según lo comentado por el Prof Ing. Gazzera por la C.N.E.A.

Las tecnologías que compiten en la obtención de energía son:

· Los colectores cilindro-parabólicos, CPC, que poseen una limitación tecnológica asociada a la máxima temperatura de trabajo situada en los 400ºC. A esto se añaden las ineficiencias y costos asociados al uso de un aceite térmico como fluido de transferencia entre el receptor solar y el generador de vapor. Por este motivo los esfuerzos de desarrollo tecnológico se centran en la búsqueda de mejores medios de transferencia de calor que sustituyen al aceite, hidrógeno, sodio. Un segundo problema es la inexistencia de soluciones eficientes y de bajo coste para el almacenamiento térmico de la energía y debe tenerse en cuenta la durabilidad de los tubos absorbedores.

· Las centrales de torre que deben demostrar aún la capacidad, eficiencia y costos de los helióstatos. En los receptores solares se debe demostrar la eficiencia y durabilidad del absorbedor. Por otro lado las centrales de torre presentan todavía niveles relativamente bajos de automatización y de integración de los sistemas de control, lo que penaliza la operación de la planta, siendo éste otro aspecto que requiere mejoras tecnológicas.

Analizando el caso que nos interesa, el sistema de disco concentrador-motor Stirling, la razón por la que pensamos en la explotación de ésta tecnología es que en comparación a sus competidoras, la tecnología C.P.C. y las torres concentradoras, tipos éstos puestos en práctica en países de la comunidad europea o en EEUU, los costos iniciales si bien presentan diferencias marcadas en la primera fase de implantación, proyectan posteriormente costos de producción muy similares son por lo tanto la tecnología con un mayor potencial a largo plazo, por sus altas eficiencias y su modularidad que los hacen extraordinariamente atractivos desde el punto de vista de la planificación de la inversión. La limitación en cuanto a su potencia unitaria (por debajo de 25 kW) es, no obstante, un obstáculo para muchas aplicaciones que pretenden producción eléctrica a gran escala, de allí nuestro trabajo contempla la aplicación en pequeñas comunidades. Las experiencias de operación en la actualidad, por lo que sabemos, se restringen a unas pocas unidades por lo que el riesgo tecnológico es alto. También es limitada la experiencia sobre fiabilidad a partir del número de horas acumuladas de ensayo.

Puede observarse en el gráfico que mientras los C.P.C. llegaron a una meseta en la relación costo/kWh, la tecnología Stirling tiene un trecho grande aún en su desarrollo. En relación a sus competidoras.

Los desarrollos tecnológicos deben incidir por su parte en la mejora de las eficiencias de los distintos componentes, la búsqueda de esquemas óptimos de integración con el ciclo termodinámico, la reducción de costes y el aumento de la confiabilidad y durabilidad.

7. Conclusiones

Al comenzar esta etapa del proyecto nos dimos con la realidad del alto costo, ante lo cual se barajaron distintas opciones:

Cromar una plancha de metal. Pero necesariamente es útil construir una matriz sobre lo cual conformar la superficie reflectora a cromar, lo cual implica un costo adicional al diseñar y construir ésta en una metalúrgica. Pero nos encontramos con otro panorama, la escasez de talleres adecuados.

Otra opción es el moldeado plástico o haciendo uso de fibra de vidrio, algo factible pero difícil de cromar por las temperaturas alcanzadas en estos tratamientos.

Finalmente la opción de hacer uso del mercado de antenas satelitales abandonadas constituye una excelente opción a pesar de las salvedades desarrolladas en este informe.

En cuanto al interés de explotar la tecnología Stirling, nos interesa por el hecho de tener un largo camino por recorrer, y por constituir una buena oportunidad para que la U.N.C. pueda resaltar en cuanto a su estudio. Por otro lado en conversaciones con nuestro Director se presenta la posibilidad de tener un intercambio de experiencias con gente del F.A.M.A.F. tal de construir un motor de éste tipo que posteriormente pueda ser utilizado como herramienta de enseñanza.

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portada c/ escudo unc · web view2009-11-03 · sus principales ventajas se indican a...

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