ANALISIS ENERGETICO Y EXERGETICO DE UN COLECTOR DE
ALMACENAMIENTO SOLAR INTEGRADO EN MATRIZ DE
CERAMICACOMPARADO CON LOS DATOS DE UN COLECTOR SOLAR DE
PLACA PLANA.
LEONARDO ALEXIS ALONSO GÓ[email protected]
MARIO RENÉ BERNAL POVEDA. [email protected]
DIRECTOR PROYECTO: Msc. GABRIEL CAMARGO
RESUMEN
Este trabajo de investigación pretende comparar cuantitativamente las eficiencias
energéticas y exergéticas de un calentador solar de matriz de cerámica
integradaCSMCI (desarrollado por los autores del proyecto), con las eficiencias
energéticas y exergéticas del calentador solar de placa planaCSPP,comercializado
comúnmente en los países que utilizan la energía solar térmica de baja temperatura para el
confort térmico doméstico y para precalentamiento de agua a escala industrial. El CSMCI
consiste en una delgada capa cerámica de alta conductividad térmica y alta densidad, para
evitar al máximo la presencia de aire, el cual es muy mal conductor del calor. Los ensayos
se realizarán en el laboratorio de energía de la Universidad Nacional de Colombia. El
experimento consiste en mediciones de temperatura en diferentes partes del calentadory
ratas de flujo másico de agua a la entrada y la salida del mismo. El comportamiento del
sistema se determinara midiendo temperaturas de entrada y de salida, perdidas de calor y
energía útil. Se hará un detallado análisis de las pérdidas exergéticas y eficiencias
exergéticas bajo las condiciones de laboratorio que simulan distintas condiciones de
radiación solar.
PALABRAS CLAVE: Energía, Exergía, Solar, eficiencia, cerámica.
2
1. INTRODUCCION
Colombia cuenta con una excelente posición geográfica dentro de la zona tórrida y en la
región andina donde existen condiciones climáticas variadas y especiales que afectan
positivamente la disponibilidad del recurso solar, que representa una oportunidad de
energía limpia para un desarrollo sostenible. (UPME,IDEAM, 2005)
Consecuente y oportunamente, con base en la realidad anteriormente expuesta la
Universidad Libre, inició el Programa de Maestría en Ingeniería con Énfasis en Energías
Alternativas, que tiene dentro de sus objetivos proporcionar a los profesionales dominio
profundo de los métodos avanzados en el campo de la ingeniería desarrollando habilidades
para el trabajo de investigación y desarrollo (Universidad Libre, 2007), pero no cuenta en
este momento (año 2011) con un Laboratorio de energías alternativas donde sus estudiantes
puedan realizar prácticas de Laboratorio de Investigación en temas, como Eficiencia
energética y exergética, Análisis de escala industrial y sacar conclusiones acerca de las
bondades de las fuentes no convencionales de energía, que les permitan promover la
investigación y desarrollo que promulgan en sus objetivos.
Un factor importante para el desarrollo de nuevas tecnologías es el alto costo de las
mismas, investigar sobre materiales y métodos más económicos y asequibles para los
usuarios hace que estas tecnologías puedan ser difundidas y aprovechadas, actualmente
como veremos en los siguientes párrafos el costo de los sistemas de calentamiento de agua
para hogares es elevado y no compite con los costos de la utilización de gas con el mismo
fin.
3
1.1. COSTO DE LOS MATERIALES DE UN CALENTADOR SOLAR DE
PLACA PLANA CONVENCIONAL:
Teniendo en cuenta una cotización real del año 2010 de Exiplast S.A., una empresa
reconocida en el país y representante de Transsen, empresa Brasileña con proyectos de
energía solar térmica de gran envergadura, se pretende mostrar la proporción de los costos
de los materiales del calentador solar:
Tabla No. 1Cotización de un sistema de calentamiento de agua solar.
EXIPLAST S.A.
$ $ 4.332.600
Componente o servicio
Cantidad Pr. unitario Precio total
Tanque térmico (1) 150 litros 1 $ 1.950.000 $ 1.950.000
Colectores solares 2m X 1m,
TRANSSEN 2 mt² 1 $ 1.300.000 $ 1.300.000
Transportes, instalación y mano
de obra (3)
1 $ 485.000 $ 485.000
Total, antes de IVA
$ 3.735.000
IVA: 16% $ 597.600
Fuente: (Exiplast S.A., 2010)
Con base en la cotización anterior podemos observar en la gráfica siguiente la proporción
de los costos de un Calentador solar de placa plana (CSPP).
4
Figura 1.Proporción de los costos de los materiales de un colector solar de placa plana.
Fuente: Análisis de la Tabla No. 1 por parte de los autores
Como se puede observar en la gráficaNo. 1 el tanque de almacenamiento en los
calentadores solares convencionales representa el 45% del costo total del producto.
El aporte de la investigación planteada en el presente proyecto radica en no utilizar el
tanque de almacenamiento para el agua y por el contrario utilizar el mismo colector como
almacén de la energía calorífica y de agua, lo que podría representar un ahorro significativo
en materiales y por lo tanto en la inversión inicial de los usuarios de este tipo de tecnología.
Mediante los análisis y la utilización del método científico se pretende dar respuesta al
siguienteinterrogante:
Tanque térmico, 45%
Colectores, 30%
Transportes mano de
obra, 11%
Impuestos, 14%
5
¿La utilización de una matriz cerámica no representa diferencias energéticas y exergéticas
significativascomparado con un calentador solar térmicode placa metálica plana?
La propuesta de una matriz cerámica es una idea innovadora, ya que una de las formas de
utilizar este material en la industria es como aislante térmico, pero para tal fin, se utilizan
cerámicas con gran proporción en la fracción de volumen de poros, pero en esta
investigación un factor que se va a tener en cuenta es la inercia térmica de los materiales
cerámicos y que estos tengan el mínimo de fracción de volumen de poros, la idea básica es
convertir a la cerámica en un material funcional y resistente, la cerámica pues, puede ser
utilizada en la fachada o en el techo del edificio pero al mismo tiempo puede ser utilizada
como reservorio de agua caliente para uso doméstico o industrial.
Existen estudios de Calentadores Solares Térmicos que utilizan el concreto como almacén
de la energía solar, (Solar water heaters based on concrete collectors, 1999)(Majdi Hazami,
2010), pero la cerámica o las arcillas como matriz para almacenar la energía radiante y
trasmitirla directamente al agua, no ha sido tenida en cuenta para este tipo de tecnología.
En la tecnología de fabricación de revestimientos cerámicos, es necesario resaltar que aún
hay vacíos del conocimiento en cuanto a la innovación industrial en el sector. La industria
cerámica está en la búsqueda de mejores productos y, en general, la competitividad del
sector, que en los últimos tiempos pasa por ofrecer una serie de productos con elevadas
características técnicas y nuevas funciones, como por ejemplo desarrollar productos nuevos
con propiedades mejoradas y dotados de funciones que interesan a profesionales como,
arquitectos, técnicos, interioristas y prescriptores en general del producto cerámico.
(Instituto de Tecnológia cerámica, 2011)
Con la utilización de materiales cerámicos funcionales se conjuga un diseño estético junto a
un buen comportamiento del material a lo largo del tiempo que no sufrirá las patologías
asociadas a materiales tradicionales como el concreto, como cambios de color, filtraciones,
oxidación y fragmentación.
6
La Integración de elementos funcionales en baldosas cerámicas en el ámbito doméstico
plantea ideas tales como baldosas cerámicas que integren otras tecnologías como
domóticay electricidad. Las posibilidades en este campo son numerosas a medida que se
avanza en otras tecnologías como la electrónica, miniaturización o sensores, siendo hoy
relativamente sencillo instalar una gran variedad de elementos sensores en las baldosas
cerámicas que las dotarán de una serie de funciones hasta ahora totalmente ajenas a su uso.
La integración de células fotovoltaicas en las baldosas cerámicas o captadores solares para
calentamiento de agua domestica las convierten en un elemento generador de energía
eléctrica y agua caliente a partir de una fuente de radiación solar. Con ello se consigue
disponer de paneles solares integrados en las estructuras arquitectónicas, utilizando estas
piezas bien como elementos de cubierta del tejado o bien combinando la función de
aprovechamiento energético con otras propias de los materiales cerámicos, como el
aislamiento acústico.
En la Figura 2 podemos ver uno de los usos de elementos tecnológicos integrados en
matrices cerámicas.
Figura 2 Utilización de una barrera de sonido integrada en materiales cerámicos y con
celdas fotovoltaicas a lo largo de una avenida en Alemania desarrollado por las empresas
Fritta, S.L., Isofotón y Pamesa, S.A.
.
Fuente (Instituto de Tecnológia cerámica, 2011)
7
Y por último se resalta que la utilización de la energía solar es térmica es una tecnología
amigable con el medio ambiente que produce cero emisiones y ningún ruido.
El objetivo principal del proyecto es Analizar el comportamiento energético y exergético de
doscolectores de almacenamiento solar integrado en una matriz de cerámica roja y otro de
matriz cerámica blanca (CASIMC);y compararlosdos anteriores con los datos
proporcionados por un proveedor reconocido a nivel nacional de un colector solar de placa
planametálica (CSPP).Y los pasos a seguir para lograr este objetivo son: Implementar y
evaluardos Sistemas Solares Térmicos Integrados con cerámica roja y cerámica blanca, adaptar el
sistema de recolección de datos al (CASIMC) de cerámica blanca y al (CASIMC) de cerámica roja,
calcular la eficiencia energética y exergéticade los dos sistemas, recolectar la información de las
fichas técnicas de proveedores de(CSPP) y por ultimo comparar los resultados obtenidos en los
(CASIMC) con los de las fichas técnicas del (CSPP).
2 MARCO TEORICO
2.1 ENERGIA
La energía es parte de todos los ciclos de la vida y es un elemento esencial para
prácticamente todas las actividades. Ella es un concepto que se relaciona con varios
procesos (como quemar combustibles, o propulsar máquinas), así como con las
observaciones de dichos procesos. La energía se define científicamente como la capacidad
de hacer trabajo.La potencia es un concepto muy relacionado con el de energía. Se define
como la capacidad de suplir una cierta cantidad de energía durante un período de tiempo
definido. Esto se ilustra así: cuando se aplica un proceso de conversión de energía se
muestra interés en dos cosas:
• La cantidad de energía convertida, y
8
• La velocidad a la cual se convierte.
La energía en todas sus formas está jugando un papel muy importante en el desarrollo
económico mundial, el internationalenergy Outlook del año 2010, publicación de la EIA,
EnergyInfomationAdministration, maneja información confiable de estadísticas de
consumo, oferta y demanda de energía y en la figura xxx se puede observar el consumo de
energía a escala mundial desde el año 1990 y con proyección al año 2035, analizando esta
información se puede ver claramente que, siguiendo la tendencia actual, el consumo
aumentará en un 49%, o lo que es lo mismo, 1.4% cada año desde 495 cuatrillones de Btu
en el año 2007 a 739 cuatrillones de Btu en el año 2035 (Energy Information
Administration, 2010)
Fuente: EIA, International Energy Statistics database (as of November 2009), web site
www.eia.gov/emeu/international. Projections: EIA, WorldEnergyProjectionSystem Plus
(2010).
0
200
400
600
800
1990 1995 2000 2007 2015 2020 2025 2030 2035
Figura 3. World marketed energy consumption, 1990-2035quadrillion Btu
ProjectionsHistory
355374
406
495
9
El consumo de energía se suple de distintas fuentes, el sol es principalmente el generador
que aporta la energía al planeta tierra y esta es utilizada de diversas formas que se
relacionarán a continuación.
2.1.1 Fuente de Energía y consumo convencional.
Se calcula que en el interior del Sol se queman cada segundo unos 700 millones de
toneladas de hidrógeno, de las que 4,3 millones se transforman en energía. Una parte
importante de esta energía se emite a través de los rayos solares al resto de planetas, lunas,
asteroides y cometas que componen nuestro sistema solar.
Más concretamente, hasta la Tierra llega una cantidad de energía solar equivalente a
1,7x1014
kW, lo que representa la potencia correspondiente a 170 millones de reactores
nucleares de 1.000 MW de potencia eléctrica unitaria, o lo que es lo mismo, 10.000 veces el
consumo energético mundial.” 1
La energía proveniente del Sol viaja a través del espacio como ondas electromagnéticas y
plasma. En la parte superior de la atmósfera terrestre, sobre una superficie perpendicular a
la radiación, se presenta una potencia promedio de 1.367 W/m2, cantidad denominada
Constante Solar.
Las variaciones de la constante solar dependen de la actividad solar asociada al número de
manchas presentes en la superficie solar y a cambios en la distancia Tierra-Sol como
consecuencia de la órbita elíptica terrestre. (UPME,IDEAM, 2005)
La luz solar es una fuente gratuita y relativamente inagotable, y el sol es la principal fuente
de energía para todos los procesos que tienen lugar en el planeta tierra,pues proporciona el
99.97% (UPME,IDEAM, 2005) de la energía usada para todos los procesos naturales.El
1IDEA, Energía Solar Térmica, 2006
10
astro rey está ubicado a una distancia media de ciento cincuenta millones de la tierra y está
formado por gases a muy alta temperatura. En su núcleo se producen continuamente
reacciones atómicas de fusión nuclear que convierten el hidrógeno en helio. Este proceso
libera gran cantidad de energía que sale hasta la superficie visible del Sol (fotosfera), y
escapa en forma de rayos solares al espacio exterior.
2.1.2 Energías Alternativas.
También llamadas energías renovables: no se agotan por su uso, como la energía del viento
y del sol. El agua y la biomasa también se incluyen en esta categoría, aunque son
renovables bajo la condición de que la fuente se maneje en forma apropiada, por ejemplo,
las cuencas hidrológicas y plantaciones de árboles.
Dentro de las diferentes posibilidades de transformación de la energía se han planteado
alternativas como, Energía mareomotriz, Energía geotérmica, Energía hidráulica, Energía
eólica, Energía de la biomasa y la energía solar, que es la que compete a esta investigación.
2.1.2.6 Energía SolarLa radiación solar es la energía emitida por el Sol que se propaga en
todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas y partículas. La
medición de la radiación solar se realiza en forma instantánea como el cociente entre la
cantidad de energía solar incidente en la unidad de área y de tiempo
= [x]
O integrada durante un lapso de tiempo que normalmente es un día
11
= [x]
La radiación solar es una manifestación electromagnética de la energía, la cual presenta una
amplia distribución espectral; es decir, una gran variedad de componentes elementales de
distintas longitudes de onda. El rendimiento de cualquier conversión solar depende del
margen de radiaciones para las que puede trabajar (los materiales de que estén formados los
colectores determinan fundamentalmente esta propiedad).
2.1.2.6.1 Energía Solar Fotovoltaica
La luz del Sol se puede convertir directamente en electricidad mediante celdas solares,
conocidas también como celdas fotovoltaicas, que son artefactos que utilizan materiales
semiconductores. La corriente eléctrica puede ser utilizada inmediatamente o puede ser
almacenada en una batería para utilizarla cuando se necesite. No se relacionan en nada con
la energía solar térmica ni en cuanto a su estructura ni en cuanto a su funcionamiento.
2.1.2.6.2 Energía Solar Térmicade baja temperatura
El calor recogido en los colectores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades.
Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien
para dar calefacción a hogares, hoteles, colegios, fábricas, etc. Incluso para destilación
solar, para separación de contaminantes, climatización de edificaciones como tecnología
fuente de confort térmico, y como fuente directa de producción de biomasa.
12
2.1.2.6.2.1 Tipos de colectores solares
Para lograr temperaturas elevadas de agua de uso doméstico (entre 40 y 70 grados
centígrados), se requiere el empleo de colectores planos que cuenten con un recubrimiento
(normalmente de vidrio) que provoque un efecto invernadero dentro de ellos.
El colector plano tiene cuatro componentes principales. Dentro de un marco de aluminio
aislado se encuentra el absorbedor (tubos de cobre, soldados a una lámina delgada de cobre
pintado de negro, donde circula el agua), así como un vidrio especial de alta transmisión
sellado a su marco.
Figura 7 Colector solar de placa plana (CSPP)
Fuente: (Casanova Colás, 1993)
13
Figura 7 Sistema completo de colector y tanque de almacenamiento
El sistema termosifón se basa en la diferencia de densidad del agua a diferentes
temperaturas y hace circular el líquido en los calentadores solares, por lo que no es
necesaria la utilización de bomba. El colector capta la radiación solar directa y difusa y, por
el efecto termosifón, el agua caliente solar (ACS) del colector sube hasta el tanque y la más
fría, que es más pesada, baja al colector para ser calentada.
2.2 MATERIALES DE LOS COLECTORES SOLARES Y SUS PROPIEDADES
Los materiales no metálicos son aislantes térmicos por cuanto no contienen electrones
libres. Por consiguiente, los fonónes son responsables primarios de la conducción térmicas;
ke es mucho menor que kl. De nuevo, los fonónes no son tan efectivos como los electrones
libres en el transporte de energía calorífica como resultado de la dispersión muy eficiente
por imperfecciones de la red.
14
Fig.8 Dependencia de la conductividad térmica respecto de la temperatura para varios
materiales cerámicos.
La porosidad de los materiales cerámicos puede tener una drástica influencia sobre la
conductividad térmica; el aumento en la fracción de volumen de poros conduce
generalmente a una reducción de la conductividad térmica. De hecho, muchas cerámicas
que se utilizan como aislantes térmicos son porosas. La transferencia de calor a través de
los poros es normalmente lenta e ineficiente. Los poros internos normalmente contienen
aire, el cual tiene una conductividad térmica extremadamente baja, aproximadamente
0.02W/m-K. Además, la convección gaseosa dentro de los poros es también
comparativamente ineficiente.
El almacenamiento de energía bien sea utilizando materiales absorbentes, calor latente
están recibiendo gran atención en los últimos años
15
Antes de la puesta en marcha de una instalación solar es preciso que el captador, el depósito
y las tuberías queden perfectamente aisladas. Los materiales aislantes de uso más frecuente
son: elastómeros, poliuretano expandido, espuma de uretano, y fibra de vidrio.
Tabla xx Conductividades térmicas de algunos materiales aislantes.
MATERIAL CONDUCTIVIDAD TERMICA (W/m°C)
Fibra de vidrio 0,053
Elastómero 0,047
Uretano 0,035
Poliuretano 0,028
Fuente: (Casanova Colás, 1993)
2.2.1 Capacidad calorífica vibracional
En la mayoría de los sólidos el modo principal con que se absorbe la energía térmica es
mediante el aumento en la energía vibracional de los átomos. Los átomos en los sólidos
están vibrando constantemente a frecuencias muy altas y con amplitudes relativamente
pequeñas. Las vibraciones no son independientes unas de otras, sino que las vibraciones de
átomos adyacentes están acopladas en virtud del enlace químico. Estas vibraciones están
coordinadas de tal manera que se producen ondas viajeras, un fenómeno representado en la
Figura 1. Se puede imaginar que estas ondas son como ondas elásticas o simplemente como
ondas de sonido que se propagan a través del cristal a la velocidad del sonido. La energía
térmica vibracional de un material consiste en una serie de estas ondas elásticas, que tienen
un intervalo de distribuciones y frecuencias. Solamente ciertos valores de energía están
permitidos (se dice que la energía está cuantizada) y un cuanto de energía vibracional se
16
denomina fonón. (Un fonón es análogo al cuanto de radiación electromagnética, el fotón).
Ocasionalmente, las propias ondas vibracionales también se denominan fonónes.(ojo)
2.2.2 Propiedades radiantes de los materiales
De la radiación que incide sobre una superficie, una parte puede absorberse por el cuerpo,
otra reflejarse y una tercera transmitirse a través del mismo.
Definimos como:
· Poder absorbente, a, es la fracción de la radiación absorbida.
· Poder reflexivo, r, es la fracción de la radiación reflejada.
· Poder transmisivo, t, es la fracción de la radiación transmitida.
En consecuencia se tiene que cumplir que a + r + t = 1
La mayoría de los sólidos son opacos a la radiación térmica, es decir que su poder
transmisivo es igual a cero. El poder transmisivo y el poder absorbente, dependen del
espesor del cuerpo.
Al cuerpo ideal que, para todas las longitudes de onda y direcciones de incidencia de
raciacion, deja pasar toda la radicación que le llega se le denomina cuerpo transparente:
a=0 r=0 t=1
Al cuerpo ideal que, para todas las longitudes de onda y direcciones de incidencia de
radiación, refleja toda la radicación que le llega se le denomina cuerpo especular:
a=0 r=1 t=0
Al cuerpo ideal que, para todas las longitudes de onda y direcciones de incidencia de
radiación, absorbe toda la radiación que le llega se le denomina cuerpo negro:
17
a=1 r=0 t=0
No todas las superficies emiten o absorben la misma cantidad de energía radiante cuando se
calientan a la misma temperatura. Un cuerpo negro perfecto no existe en la realidad, sino
que es un ente ideal que se utiliza como referencia respecto a otros radiadores. No
obstante, existen numerosas superficies que son cuerpos negros casi perfectos, sobre todo
para radiaciones de onda larga, por lo que para casos prácticos son considerados como
tales con suficiente exactitud.
Fig. 8 Radiación, absorción, reflexión y transmisión de ondas.
Fuente:
Cuando la radiación del Sol u otra fuente llega a una superficie, una parte es reflejada, otra
es absorbida y otra puede pasar, dependiendo del material del que esté hecha la superficie.
Materiales brillantes con colores claros reflejan la mayoría de la radiación, mientras que los
oscuros y mates la absorben. Materiales transparentes, como el vidrio, dejan pasar casi toda
la radiación.
18
Tabla 3 Materiales a Usar para Capturar y Aprovechar la Energía Solar:
Material Absorción en % Reflexión en %
Pintura negra mate 98 2
Pintura azul oscura 90 10
Ladrillo rojo 70 30
Pintura Blanca Brillante 25 75
Aluminio pulido 12 88
Fuente Manuales sobre energía renovable: Solar Térmica/ BiomassUsers Network (BUN-
CA). -1 ed. - San José, C.R.: BiomassUsers Network
2.3 TERMODINAMICA Y ENERGIA SOLAR
El análisis termodinámico significa un efectivo mecanismo para obtener información
precisa y valiosa acerca de la eficiencia energética y las perdidas debidas a la
irreversibilidad en situaciones reales. La primera ley ha sido ampliamente usada en
prácticas de ingeniería y es la base para los balances de energía que son aún más comunes
en análisis de rendimiento. La segunda ley involucra la reversibilidad o irreversibilidad de
los procesos.(Energy and exergy analysis of a new flat-plate solar air heater having, 2010).
Los análisis convencionales de energía basados únicamente en la primera ley de la
termodinámica ignoran completamente la calidad de la energía y no toman en cuenta las
temperaturas en las que el calor sensible es almacenado. Para almacenar energía a las
temperaturas más altas posibles y con el mínimo de pérdidas de calor es necesario hacer un
análisis basado en la primera y segunda ley de la termodinámica, por eso se realizará
también un análisis para tener un diagnóstico claro del comportamiento de los dos sistemas
de captación solar y la degradación de la calidad de la energía durante el proceso.
19
2.3.1 Análisis energético y exergético de colectores solares
2.3.1.1 El análisis energético
Este análisis energético está basado en la primera ley de la termodinámica, nos
concentraremos en la temperatura de salida del agua del sistema, la eficiencia del
(CASIMC) y el porcentaje de energía solar almacenada. El modelo teórico utilizado para el
estudio del (CASIMC) consiste en un balance energético en el momento de la carga del
sistema:
+ [1]
; es la fracción de la radiación solar absorbida por
la matriz cerámica, G es la radiación solar expresada en W y A es el área del colector
expresada en .
; Masa de la matriz por Calor especifico expresado
en kj/kgK, por la variación de la temperatura del absorbedor con respecto al tiempo. 4
HORAS (VER TIEMPO SOLAR VERDADERO)
= ; esta expresión representa el
incremento de la energía calorífica utilizable de la recolectada por el (CASIMC) versus la
radiación solar diaria. es una característica propia del material utilizado y representa la
capacidad de la cerámica para captar y convertir la radiación solar. Tiene que ver con
las pérdidas de calor del sistema durante el día (es la temperatura promedio del medio
ambiente y es la temperatura del agua), considera efectos del umbral.
20
; es el coeficiente de perdida de calor, y
dentro de este coeficiente ya están incluidos las perdidas térmicas por la cubierta superior,
los laterales y la parte inferior del colector solar.
El coeficiente es calculado por:
[2]
La eficiencia, basada en la primera ley de la termodinámica es definida como el
cociente entre la energía utilizable y la radiacion solar incidente en el área del colector.
[3]
Ac es el área del colector y representa la temperatura promedio del medio
ambiente menos la temperatura en determinado instante del medio ambiente.
2.3.1.2Análisis Exergético
La preocupación por los recursos energéticos a nivel mundial está tendiendo a disminuir
toda clase de desperdicio, también ha desatado interés en la comunidad científica en
desarrollar nuevas técnicas para el uso racional de estos recursos. La primera ley de la
termodinámica al tener en cuenta solamente la cantidad de energía no es suficiente para
dimensionar la degradación de la energía durante los procesos, es por esto que se debe
utilizar también la segunda ley de la termodinámica que tiene que ver con la calidad de la
energía, la generación de entropía y la pérdida de oportunidades para generar trabajo.
La segunda ley ha demostrado ser una herramienta poderosa para la optimización de
sistemas termodinámicos complejos y utiliza el concepto de exergía, que es el trabajo útil
21
máximo que puede obtenerse de un sistema en determinado estado y ambiente, además
porque envuelve la reversibilidad e irreversibilidad de los procesos.
La ecuación del balance de masa puede ser expresada así:
= [X]
El balance Exergético se expresa como:
[X]
El total de la rata de energía que entra incluye:
La rata de exergía entrante en el flujo de agua según (Majdi Hazami, 2010) esta dada por:
= [X]
La rata de exergía en la radiación solar absorbida considerando el rendimiento
óptico y asumiendo el sol como un recurso térmico infinito según (Majdi
Hazami, 2010)es dada por:
= ) [X]
Donde representa la temperatura aparente del sol. Esta representa el 75% de la
temperatura del cuerpo negro del sol. (Majdi Hazami, 2010)
La rata de exergía almacenada está dada por:
= ) ) [X]
22
La rata de exergía de salida en el flujo de agua:
= [X]
son las diferencias de presión del fluido con los alrededores a la entrada y la
salida del colector solar.
La rata de exergía perdida por el calor desde el captador hacia el ambiente.
= ) [X]
La rata de destrucción de energía incluye tres términos:
a. El primero es causado por la diferencia de temperatura entre la placa plana del
colector y el sol.
( =- ) [X]
b. El segundo es causado por la caída de presión en los ductos.
( =- [X]
c. Y el tercero es causado por la diferencia de temperatura entre la superficie de la
placa plana y el fluido (agua):
( =- [X]
La eficiencia exergética del colector solar define el incremento de la exergía del fluido
sobre la exergía de la primera radiación por la fuente de radiación. Considerando la
definición de eficiencia exergética, la ecuación de la segunda ley de la eficiencia del CSPP
( está dada por:
23
= 1 - [X]
2.4 ANTECEDENTES
Específicamente el uso de la energía solar térmica de baja temperatura se está perfilando
como una opción válida para la obtención de agua caliente solar (ACS) en los hogares, para
uso doméstico.
2.4.1 Usos de la Energía Solar Térmicade baja temperatura en Colombia
Las aplicaciones térmicas en Colombia datan de mediados del siglo pasado, cuando en
Santa Marta fueron instalados calentadores solares en las casas de los empleados de las
bananeras, calentadores que aún existen aunque no operan. Más tarde, hacia los años
sesenta, en la Universidad Industrial de Santander se instalaron calentadores solares
domésticos de origen Israelí para estudiar su comportamiento. Posteriormente, hacia finales
de los setenta y estimulados por la crisis del petróleo de 1973, instituciones universitarias
(la Universidad de los Andes, la Universidad Nacional en Bogotá, la Universidad del Valle,
entre otras) y fundaciones (como el Centro Las Gaviotas) sentaron las bases para instalar
calentadores solares domésticos y grandes sistemas de calentamiento de agua para uso en
centros de servicios comunitarios (como hospitales y cafeterías). (Desarrollo de la energía
solar en Colombia y , 2008)
Los montajes de energía solar térmica hechos por las universidades mencionadas
anteriormente resultaron bastante innovadores. Sin embargo, se adoptó finalmente el
sistema convencional que consta de uno o varios colectores solares y de su respectivo
tanque de almacenamiento. El colector empleaba una parrilla de tubería de cobre. Como
película absorbedora se empleó pintura corriente o con aditivos, y otros absorbedores
selectivos. La cubierta exterior era vidrio corriente o templado y el aislamiento fibra de
24
vidrio, icopor o poliuretano. El tanque generalmente era metálico en sistemas presurizados
o de asbesto cemento en sistemas abiertos.(Desarrollo de la energía solar en Colombia y ,
2008)
Hubo una alta proliferación de la tecnología solar térmica en el país a mediados de los
ochenta en la aplicación masiva de calentadores en urbanizaciones en Medellín (Villa Valle
de Aburrá) y Bogotá (Ciudad Tunal, Ciudad Salitre) en donde fueron instalados miles de
calentadores, desarrollados y fabricados por el Centro Las Gaviotas; el Palacio de Nariño,
en Bogotá, también tuvo uno de estos grandes calentadores. A mediados de los ochenta
surgieron varias compañías nacionales en Bogotá, Manizales y Medellín que fabricaron e
instalaron miles de calentadores solares de diversas capacidades en esas ciudades. Muchas
instituciones religiosas montaron calentadores solares en sus conventos y también alguna
cadena hotelera (Hoteles Dann).(Desarrollo de la energía solar en Colombia y , 2008)
Hacia finales de los 80, el programa PESENCA (Programa Especial de Energía de la Costa
Atlántica), un proyecto realizado por CORELCA (Corporación de Energía Eléctrica de la
Costa Atlántica), el ICA (Instituto Colombiano Agropecuario) y la GTZ (Sociedad
Alemana de Cooperación Técnica), introdujo calentadores solares en la Costa Atlántica y
desarrolló un campo experimental en Turipaná, Córdoba, en donde se realizaron pruebas y
ensayos para determinar la eficiencia de estos sistemas. Este momento puede considerarse
el origen de las normas sobre calentadores solares, iniciativa que siguió su desarrollo por
parte del ICONTEC (Instituto Colombiano de Normas Técnicas) y que ha dado origen a las
normas existentes en el país sobre tales dispositivos.(Desarrollo de la energía solar en
Colombia y , 2008)
Si bien los calentadores solares para una pequeña familia costaban ya a mediados de los
ochenta y noventa el equivalente a US$1000 por sistema (tanque de 120 litros, 2m2 de
colectores solares) y representaban una inversión inicial medianamente alta, instituciones
como el antiguo Banco Central Hipotecario, al hacer un análisis valor presente neto,
comprendieron que era más económico emplear calentadores solares que emplear
25
electricidad para calentar agua y obvió la inversión que harían los usuarios dotando a varias
de sus urbanizaciones con estos equipos. Pero fue posteriormente la introducción de un
energético más barato, el gas natural, la que desplazó del mercado esta naciente industria
desde mediados de los noventa hasta la actualidad.(Desarrollo de la energía solar en
Colombia y , 2008)
El desarrollo alcanzado hasta 1996 indicaba,según estudios del Banco Central Hipotecario,
que se habían instalado 48.901 m² de colectores solares, principalmente en Medellín y
Bogotá, y en barrios con financiación de dicho Banco.(UPME,IDEAM, 2005)
La mayoría de los sistemas funcionaban bien pero algunos usuarios esperaban más de los
sistemas, lo cual se ha entendido como que la demanda era superior a la capacidad de los
mismos. No se han realizado nuevos estudios o evaluaciones sobre cómo se han
comportado los sistemas instalados aunque se sabe, por ejemplo, que el calentador de la
antigua sede de la Empresa de Energía de Bogotá suministró por 18 años agua caliente
para la cafetería de la misma.
2.4.2 Usos de la Energía Solar Térmica de baja temperatura en el mundo
Existe la arquitectura bioclimática,que busca la utilización de la energía por medio de
sistemas solares pasivos como la denominada pared trombe, para la climatización de
edificacionesutilizando el principio de la inercia térmica para lograr ambientes de confort,
esta inercia térmica es el principio que precisamente se pretende utilizar en el CASIMC,
aprovechando las propiedades de acumulación de energía que tienen algunos materiales
cerámicos y el concretofundido.
26
Al poder utilizar la cerámica como parte de la estructura del edificio, en la fachada, o en el
techo se pueden obtener resultaros equivalentes a lo realizado con el concreto, en estudios
realizados por (Solar water heaters based on concrete collectors, 1999), una disminución de
costos pues sería la misma estructura del edificio la que estaría proporcionando Agua
Caliente Solar.
Con respecto a excluir el tanque de almacenamiento para disminuir costos iniciales de
inversión existen estudios por parte del IndianInstitute of Science, Bangalore en la India
con fecha del 22 May 2005, donde evalúan el potencial de un prototipo con
almacenamiento de agua integrado con temperaturas del agua en la mañana entre 50 y
60°C. (Performance evaluation of an integrated solar, 2005)
Actualmente se están desarrollando estudios en Tunisia, Republica Africana para la
disminución de los costos iniciales de inversión en calentadores solares térmicos, y se ha
propuesto la construcción de un colector integrado en una matriz de concreto, en la que
experimentalmente han demostrado que este tipo de colector tiene una eficiencia del 32%
comparado con colector térmico tradicional con tanque de almacenamiento que tiene una
eficiencia del 34% (Majdi Hazami, 2010).
Con respecto a los análisis energéticos y exergéticos de calentadores solares existen
estudios realizados por EbruKavakAkpinar, FatihKoçyig˘it del departamento de Ingeniería
mecánica de la Universidad de Firat en Tuquia, en el año 2010, donde los resultados
observados muestran que la eficiencia es estos colectores depende significativamente de la
radiación solar, de la geometría de la superficie del colector y la extensión o recorrido de la
línea del flujo del aire, también comparan la irreversibilidad de dos colectores con distintas
geometrías de superficie.(Energy and exergy analysis of a new flat-plate solar air heater
having, 2010)
27
3. DESCRIPCION DEL MONTAJE EXPERIMENTAL Y EL PROCEDIMIENTO
3.1 Construcción de los prototipos Colectores con matriz de cerámica blanca y roja.
Se construirán doscolectores con matriz, uno de cerámica blanca y otro de cerámica roja
como propuesta de innovación que pretende disminuir los costos de producción e
implementación de sistemas solares de calentamiento de agua, ya que no requiere tanque de
almacenamiento. En la bibliografía existen pocos tipos de calentadores de este tipo, y los
pocos que existen utilizan para el almacenamiento de la energía, una matriz delgada de
concreto que cumple las dos funciones, absorber y almacenar la energía térmica solar. Cabe
anotar que como protección y para aumentar el efecto invernadero se utiliza vidrio sobre la
cara expuesta al sol.(Majdi Hazami, 2010)
Figura. 9 Estructura del panel solar con matriz ceramica
Fuente: los autores del proyecto
28
4.1 DISEÑO DE EXPERIMENTOS
4.3.1 Primera fase experimental (determinación del material cerámico y de concreto)
Dos estructuras de idénticas dimensiones pero con matrices diferentes se ubican bajo las
mismas condiciones de radiación proporcionada por tres lámparas incandescentescon todos
los instrumentos requeridos para las mediciones incluido termocuplas, sensores de flujo de
calory flujo de agua conectadas a un sistema computarizado de adquisición de datos
proporcionado por la Universidad Nacional de Colombia.
Cada uno de los montajes tiene las siguientes características:
Montaje 1: MATERIAL CERAMICO
Colector con un área de 60 x 60 cm, 3600 cm2, consistente en un vidrio transparente de
espesor 3 mm
Variables Independientes.
Temperatura de entrada del agua.
Radiación.
Absorbancia. CONSTANTE
Reflectancia. CONSTANTE
Transmitancia. CONSTANTE
Coeficiente global de pérdidas.
Temperatura media de la placa.
Conductividad térmica de los materiales. CONSTANTE
Variables Dependientes
Temperatura de salida del agua
Volumen de agua caliente con temperatura >= 40°C.
% de energía solar almacenada.
29
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