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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA

UNIDAD IZTAPALAPA DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

LICENCIATURA EN INGENIERÍA EN ENERGÍA

SEMINARIO DE PROYECTO I Y II

EVALUACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA DE UN COLECTOR

SOLAR PLANO CONTRA UN CALENTADOR DOMÉSTICO DE GAS L.P

ALUMNO: ESTRADA RAMÍREZ GILBERTO

Vo.Bo. Asesor de Seminario de Proyecto Vo.Bo. Coord. de la Carrera M.C. Alberto Valdés Palacios de Ingeniería en Energía Dr. Hernando Romero Paredes

SEPTIEMBRE 2001

ING. EN ENERGÍA UAM-I

SEMINARIO DE PROYECTOS I y II 2

ÍNDICE

Prefacio 3

Introducción 4

1.- Problemática ambiental 5 1.1 La contaminación atmosférica, 6 1.2 Medidas contra la contaminación atmosférica, 7

2.- Consumo de energía 9 2.1 Nuestra tasa de dependencia energética, 9

3.- Radiación solar 10 3.1 Constante solar, 11 3.2 Absorción de la atmósfera terrestre, 12 3.3 Equilibrio de radiación del planeta tierra, 13 3.4 Radiación solar en la republica mexicana, 14

4.- Colectores solares 15 4.1 Antecedentes de los colectores solares planos, 15 4.2 Captador solar , 15 4.3 Funcionamiento de un calentador solar de agua, 15

5.- Mediciones de eficiencia, radiación solar total y calor útil del colector solar plano 18 5.1 Armado del colector solar, 18 5.2 Mediciones, 24 5.3 Resultados, 24

6.- Calentador doméstico para agua con gas L.P. 39

7.- Análisis de resultados 417.1 Comparación térmica y económica del colector solar plano y el calentador para agua con gas L.P, 28

8.- Conclusiones 46

9.- Anexos 47 Anexo I Glosario de términos

10.- Bibliografía 51



PREFACIO

Este trabajo es el resultado de las unidades de enseñanza aprendizaje(UEA) de los seminarios de proyectos I y II, como parte formativa en los dosúltimos trimestres de la licenciatura de Ingeniería en energía en el área deCiencias Básicas e Ingeniería de la Universidad Autónoma Metropolitana –Iztapalapa. Estas UEAS tienen el propósito de desarrollar investigación queaporten al alumno como a la universidad conocimientos y soluciones aproblemas técnicos y en lo posible ponerlos en practica en alguna ramaindustrial de nuestro país.

Los seminarios de proyectos aquí presentados tienen el propósito dehacer una evaluación térmica y económica de los sistemas convencionales decalentamiento de agua domésticos por gas L.P (Boiler) contra los calentadoressolares planos para agua, esta evaluación comprende dos partes, la primera esel estudio técnico donde calculamos la energía térmica útil que produce uncolector solar plano, con este dato se hace una estimación de cuanto gas L.Pahorraríamos si usáramos la energía producida por el colector solar plano. Lasegunda parte de este trabajo es la evaluación económica que va a indicar elahorro de dinero que haríamos si instalacemos el colector solar plano y darcomo resultado final la rentabilidad de un sistema solar contra el sistemaconvencional.

Espero que esta información sea de utilidad para los interesados enfuentes alternas de energía no convencionales.

Por último agradezco la ayuda brindada por mi asesor M.C. AlbertoValdés P. , a los profesores del área de energía Dr. Enrique Barrera C., M.C.Raúl Lugo L. , amigos de la carrera y a mi institución educativa.

Gilberto Estrada Ramírez

Cd. de México Diciembre del 2002



INTRODUCCIÓN

La problemática ambiental en nuestro planeta Tierra, es ya causa demuchos de los trastornos en el clima que vemos y sentimos hoy en día, comoejemplo tenemos: la cada vez más alta temperatura a nivel global por efectoinvernadero que provocan las emisiones de gas de automóviles de combustióninterna, la industria, las plantas generadoras de electricidad que usancombustoleo, gas natural, carbón etc. (lo anterior se detalla en el punto 1).

En nuestro país México contamos con recursos naturales no renovables enabundancia a los cuales les hemos dado una fuerte dependencia, uno de estosrecursos no renovables es el petróleo que es nuestra fuente principal deenergía convencional (punto 2)

Una consecuencia del uso del petróleo es la contaminación que generansus derivados, puesto que cuando los hidrocarburos son combustibles líquidoso gaseosos estos al combustionarlos para generar energía útil, formanproductos de oxidación (ver tabla 1,pto.1) que van a la atmósfera y en el casode México estos productos son emitidos a veces sin ningún tipo de control.

Nuestra sociedad hace un consumo irracional de energía convencional(punto2) y es necesario desarrollar nuevas alternativas energéticas paradepender menos del petróleo, gas natural, gas L.P etc, sino también paraaprovechar todos los recursos energéticos disponibles en el país.

Una alternativa a la reducción en el uso de gas L.P a nivel doméstico ladamos en este trabajo con una evaluación técnica y económica entre loscolectores solares planos y los calentadores de agua por gas. (punto 7)

Para dar esta alternativa nos basamos en la energía solar disponible que hay en nuestro país (punto 3) y concretamente en el valle de México.

Los edificios de apartamentos y las viviendas pueden usar los colectoressolares planos como complemento de los calentadores de aguaconvencionales (calentadores de agua con gas L.P). así se pueden reducir loscostos del mes de gas y conservar las fuentes de energía no renovables.



1. -PROBLEMÁTICA AMBIENTAL

Nuestro entorno natural es el resultado de varios procesos geológicossucedidos en nuestro planeta; estos procesos necesitan millones de años paraproducir alteraciones, sin embargo en los últimos años, el hombre hamodificado el paisaje del planeta de manera importante y en algunos casos deforma irreversible.

Debido al desarrollo acelerado de la tecnología y los avances enmedicina, la población humana ha crecido en los últimos 5 000 años aun ritmodesproporcionado. Tratando de cubrir las necesidades de alimento y viviendapara el núcleo humano, hemos usado de forma irresponsable los recursosnaturales y hoy sufrimos esa falta de prevención de usar racionalmente.

En nuestras zonas industriales la contaminación del aire ya no permiteninguna actividad ya sea agrícola o de vivienda, hay gases como el dióxidosulfúrico que después de ser emitidos por las fabricas vuelven a la tierradisueltos en la lluvia ácida altamente nociva para el entorno y la saludhumana.

Al mejorar los medios de comunicación y transporte, el comercio llegóa extenderse a todo el mundo. Las hoy excelentes redes de comunicación(satélites, telefonía celular, Internet etc.) afectaron al medio ambiente, alpropiciar la industrialización mundial, proceso que continua en los países envías de desarrollo.

Nuestra civilización ha alterado todo lo que el planeta ha tardadomillones de años en crear. Se talan bosques para cultivos, la explotación deminas a cielo abierto ha destruido cerros, hemos dañado irreversiblemente lascomunidades zoológicas y botánicas y las redes de comunicación aprisionanal mundo entero. Aunque la especie humana desapareciera de pronto los dañoshechos al planeta serían muy duraderos y harían falta miles de años para quese reestableciera lo que fue.



1.1 La contaminación Atmosférica

La contaminación atmosférica se ha convertido en una creciente amenazapara la salud debido al aumento en la emisión de gases contaminantes(industrial, automóviles de combustión interna y experimentos nucleares).Cada día una persona adulta inhala unos 15 kilogramos de aire contaminado,los contaminantes gaseosos se ven en la tabla1.

Tabla 1. Gases contaminantesCONTAMINANTE FUENTE

Anhídrido sulfuroso ( SO2)• Combustión del petróleo y carbón.• Refinación del petróleo y gas oil• Diesel

Dióxido de carbono ( CO2)• Combustión incompleta de los

hidrocarburos en los motores de combustióninterna

Componentes pesadosincombustibles

• Vehículos de motor en forma de finaspartículas de hollín ( hidrocarburosaromáticos como el benzopireno, queproduce cáncer)

NO, N2 O3 , P, HCx , SOx y CO2

• Combustiones en los hogares y lasindustriasΨ

Contaminantes gaseosos• Cloro• Vapores nitrosos• Flúor

Contaminantes sólidos

• Cenizas• Hollín• Óxidos de hierro• Polvo• Silicatos

Ψ La combustión es por el uso del gas L.P y gas natural, donde NOx son óxidos de nitrógeno; P sonpartículas; HCx son hidrocarburos volátiles SOx óxidos de azufre y CO2 dióxido de carbono



En las grandes ciudades, la contaminación atmosférica provocaenfermedades como bronquitis, conjuntivitis, crisis de asma etc. Además,contribuye al deterioro de monumentos históricos y también afecta a loscultivos y animales.

Un fenómeno importante de la contaminación atmosférica es el “smog”resulta del óxido de nitrógeno, peróxidos orgánicos y ozono, la causa: Lacirculación automotores de combustión interna y la inversión de temperatura.Este fenómeno ocasiona irritación de las mucosas y de los ojos ( visibilidadcada vez más reducida) e incluso afecta a los objetos fabricados de hule.

La Ciudad de México, situada en una cuenca cerrada y altamenteindustrializada, en la que los vientos no pueden dispersar los gasescontaminantes, es un claro ejemplo de contaminación que puede llegar aextremos peligrosos si no se toman medidas concretas.

1.2 Medidas contra la contaminación atmosférica

Dada la problemática ambiental descrita en el punto 1.1 de este trabajo, enMéxico y en otros países se hacen esfuerzos para usar de manera racional losrecursos naturales, implementar acciones para controlar las emisiones de gasescontaminantes en la industria, los automóviles de combustión interna como lasdos más importantes y se han hecho dos tipos de medidas: las legislativas y lastécnicas

Las medidas legislativas

En México por decreto se instituyo una subsecretaria del mejoramientodel ambiente que se encargaría de la protección del medio ambiente natural (sin embargo, las sanciones judiciales no siempre se aplican rigurosamente, yaque primero se toman muchas precauciones para no correr el riesgo deparalizar ciertas industrias).

Las medidas técnicas

Estas medidas para su implementación tienen gran complejidad; una delas principales es la diversidad de caso, en decir su naturaleza específica.Siempre se trata de descubrir los medios preventivos (eliminar al agentecontaminante en su origen). Estos diversos sistemas y medidas de prevención



implican un mejor acondicionamiento de los aparatos de combustiónindustriales así como domésticos.Algunas soluciones a medias consistieron en construir chimeneas quemidieran 200 metros, esto con el fin de dispersar los gases de combustión enla atmósfera, otra fue de tratar de desulfurar el humo de la combustión de lascentrales térmicas.En lo concerniente a la contaminación atmosférica por aparatos domésticos, sedesarrollaron aparatos que tienen sistemas de recuperación de las sustanciasnocivas (procedimiento usado en las industrias) como hidrocarburosparcialmente quemados y las sustancias que tienen azufre.

Con lo referente a los problemas de abastecimiento de petróleo sédesarrollarón sistemas de calefacción y calderas que utilicen la energía solar.

Todas estas precauciones sirven para proteger no solo al hombre sinotambién al medio ambiente, con esto, se logrará tener una mejor calidad devida. Esto conducirá a tomar medidas preventivas como la de tener másespacios verdes en las ciudades y regenerar cinturones verdes en lasproximidades de las ciudades así se tendrá la esperanza de regenerar nuestraatmósfera.

Por último otras medidas deberán de implicar la intervención de lospoderes públicos, de los guardianes de la naturaleza, de sus ecólogos, médicosque se dedican a las enfermedades respiratorias y cardiovasculares.



2.- CONSUMO DE ENERGÍA

2.1 Nuestra tasa de dependencia energética

México depende fundamentalmente de los hidrocarburos para satisfacersus necesidades energéticas, casi en su totalidad del petróleo y gas natural(88.96 % según datos del balance nacional de energía 2000), el consumo deenergía en México ha crecido a una tasa anual media del 7%, lo que significaque el consumo de energía se duplica cada 10 años.

Haciendo un análisis de la información recabada1 tenemos los siguientescuadros de información, en el primero vemos las estimaciones de consumo deenergía, población y consumo de energía por habitante para el año dos mil quese hacían en los años setenta para toda la república mexicana y en segundocuadro los datos más recientes del año dos mil.

ESTIMACIÓNES PARA EL AÑO 2000 (nacional)

Consumo de Energía 3500 x 1012 Kilocalorías (1465.38 PetaJoules)Población de 120 millones

Lo que da 12.21 PetaJ/ hab.

DATOS ACTUALES AÑO 2000 (nacional)

Consumo de energía 3,801,412 PetaJoulesPoblación de 97,483,412

Lo que nos da 38.99 x106 PetaJ/ hab.

La razón de esta dependencia energética resulta de que el petróleo esuna fuente de energía muy cómoda, ya que su utilización no exige un niveltecnológico elevado, como en el caso de la energía nuclear y dado que apenasse esta introduciendo la tecnología suficiente para instalar nuevas fuentes deenergía que reemplacen en un porcentaje el uso de hidrocarburos. Se estimabaque el consumo de hidrocarburos crecería a un ritmo anual promedio de 6.6%, esto implica que será necesario usar otras fuentes de energía primaria y depolíticas energéticas que disminuyan el consumo de petróleo y con esto lacontaminación.

1 INEGI y balance nacional de energía 1997 a 2000



3.- RADIACIÓN SOLAR

Nuestro planeta recibe casi toda su luz y calor del sol, sin la radiaciónestaríamos en una oscuridad total y de frío extremo.El sol es un reactor nuclear termonuclear, produce su energía convirtiendogradualmente en Helio, por fusión, sus existencias de hidrógeno, es tal lacantidad de Hidrógeno que se ha calculado que ha brillado por unos 5 000millones de años y se espera que siga resplandeciendo por un tiempo igual,con lo cual podemos decir que es un recurso renovable e inagotable.

La radiación solar se emite al espacio en forma de ondaselectromagnéticas, de una longitud de onda muy corta como rayos X, hastaenormes longitudes de onda como las de radio. La luz visible y la caloríficaradiación infrarroja vienen a estar en medio del espectro solar. La radiaciónsolar total interceptada por la Tierra es 1.51 x1018 kWh/a

Figura.1 Atmósfera de la tierra y la radiación que llega

Como podemos ver de la figura 1 la radiación solar proveniente del soltiene diferentes longitudes de onda, es importante conocer las característicasdel espectro solar para la selección de los materiales a usar en elaprovechamiento de la energía solar. En la tabla 2 se muestra parte delespectro electromagnético que usa la tecnología solar (colectores solares,módulos fotovoltaicos, destiladores solares, piranómetros etc.).



Tabla 2. Espectro Electromagnético

Longitud de onda Región del espectro % de la energía solar [micra]

.20 .25 ULTRAVIOLETA MEDIO .30 9.293

.35 ULTRAVIOLETA CERCANO

.38 .40 .45 .50 .55 VISIBLE 41.476 .60 .70 .72

.80 .90 1.00 INFRARROJO CERCANO 1.20 1.40

48.743 1.60 1.80 2.00 INFRARROJO MEDIO 3.00 4.00 5.00

6.00 7.00 INFRARROJO LEJANO 0.488

La máxima intensidad de la energía solar ocurre en la región visible y laradiación infrarroja es la energía útil (calorífica) para los sistemas de

captación solares.



3.1 Constante solar

La constante solar es la radiación solar incidente en formaperpendicular en la atmósfera exterior a la distancia media Tierra-Solintegrado sobre todas las longitudes de onda. Las mediciones hechas por lossatélites artificiales la sitúan alrededor de 1.368 kW/m2. Todavía en lasuperficie de la tierra, en la base de la atmósfera, puede llegar a entrar casi unwatt por un ventanal de un metro cuadrado de frente al sol. Se tiene unavariación del 3.5% de la constante solar debido a la elipticidad de la orbitaterrestre.

Tabla 3. Constante Solar en Diferentes Unidades1.368 kW / m2

1.940 Cal / cm2- min = langley/min4.871 MJ / m2 h0.0324 Cal / cm2-seg7.16 Btu / ft2- min

429.2 Btu / ft2- h

3.2 Absorción de la atmósfera terrestre

La atmósfera terrestre absorbe las radiaciones de longitud de onda corta(rayos X y ultravioleta) en las capas altas, esta protección sirve para que existavida en la tierra. Para investigar sobre estas radiaciones de onda corta elhombre se ha valido de instrumentos sacados al espacio por medio de satélites(actímetro, piranómetros, pirheliómetros.).

.En cambio las longitudes de onda larga atraviesan la atmósfera sin

problema. La absorción atmosférica de los rayos infrarrojos mejora elequilibrio térmico de la tierra y debido al pequeño porcentaje de dióxido decarbono existente ( un 0.03% del volumen) produce un importante “efecto deinvernadero”. Mucha radiación que llega ala superficie se absorbe en ella,calienta la tierra y le hace emitir su propia radiación de longitudes de ondamuy largas. El dióxido de carbono atmosférico es relativamente opaco a lasmismas, por lo que aprisiona parte de esa radiación y hace que se calientemás la superficie de la tierra. Se calcula que el efecto de invernadero lacalienta hasta alcanzar casi los 30 0 C.β

β ver referencia bibliografica (8)



3.3 Equilibrio de radiación del planeta tierra

El 40% de la radiación es reflejada hacia el espacio por las nubes y elpolvo en suspensión en el aire, el 15% es absorbida directamente por laatmósfera . Del 45% que llega a la superficie, el 10% en promedio se reflejaen ella, mientras que el 35% es absorbida por el terreno, que así se calienta. Asu vez, el terreno restituye calorías a la atmósfera: esta radiación terrestre es elprincipal factor de calentamiento del aire al nivel del suelo, entonces cabe aquíhacer la siguiente pregunta ¿cómo es que la tierra absorbe diariamente unaenorme cantidad de energía solar y no se haya vuelto un planeta calcinado?.La respuesta es porque esta energía se reenvia constantemente en formas deradiación terrestre en el espacio o se disipa en forma mecánica ( es el origende los movimientos atmosféricos, de corriente marinas, del cielo, del aguaetc.) o es almacenada en muy baja proporción y en forma química por losvegetales (fenómeno de la fotosíntesis). El equilibrio energético establecidoasí en la superficie del globo se llama equilibrio de radiaciónφ.

Este equilibrio depende únicamente de la capacidad de retención térmicade la atmósfera y uno de los factores que influye es el contenido de dióxido decarbono. Por ejemplo se ha calculado que si su porcentaje en el airedisminuyera a la mitad, la temperatura media en la superficie del planetabajaría 40 C .

Asimismo, este porcentaje es más elevado en la atmósfera del centro de lasgrandes ciudades (en donde su densidad es alta por la emisión de losvehículos y aparatos de calefacción) que en las afueras, esto explica lasdiferencias nocturnas de temperaturas que se sienten entre las ciudades y laszonas semirurales que las rodean.

φ ver referencia bibliografica (8)



3.4 Radiación solar en la república mexicana

La localización geográfica de nuestro país es muy favorable para lautilización del recurso solar, los niveles de insolación son altos y sostenidos,el país recibe un promedio anual diaria de 17 MJ/m2; la figura 2 muestra quelas regiones de mayor radiación son las del norte de sonora y Chihuahua con500 langleyes/dia, las que le siguen con 450ly/día son Durango,Aguascalientes, Zacatecas, el noroeste de Jalisco y Guanajuato, con un rango,de entre 463 y 469( ly/día Puebla y parte del norte de Oaxaca, se puede verque la mitad de nuestro país recibe un promedio de 400 ly/ día en el año.

Figura2. Radiación solar en la republica mexicana

En el valle de México, el promedio mensual de la radiación solar diaria estáentre 13.5 MJ/m2 en el invierno a 18.14 MJ/ m2 en la época de lluvias, Julio ySeptiembre.



4.- COLECTORES SOLARES

4.1 Antecedentes de los colectores solares planos

Horace de Saussure hizo los primeros diseños de colectores solares paracalentar agua en el siglo XVII en Suiza. El astrónomo ingles J. Herschel en1837, el astrofísico americano S. P. Langley en 1881 y el ingeniero francés C.Tellier en 1885, fueron los que hicieron los primeros estudios y diseños decalentadores de agua. Para 1881 el fabricante de equipos de agua C.M. Kempfue el primero en desarrollar y patentar los colectores y tenían un costo de 25dólares.

En 1909 W.J. Bailey hizo la primera modificación importante: dividióel colector, la parte de captación y un tanque de almacenamiento. Elcalentador de aire con vidrio superpuesto fue introducido por K. W. Miller en1943. En 1945 G. Lôf fue el primero en usar los colectores para calentar elespacio interior de una construcción.

4.2 Captador solar

La energía solar se capta en forma de energía térmica por ejemplo,absorbiendo la radiación en una superficie negra: el calor se transmite por unfluido(aire, agua, aceites etc.) por ejemplo con el fin de calentar una casa, unaescuela o una alberca.

Un buen captador solar debe absorber lo más eficientemente laradiación incidente y no disiparla al medio ambiente (solo en pocaproporción). Buenos resultados se obtienen con una cubierta de vidrio quehaga de invernadero. El absorbedor es generalmente un metal ennegrecido,pero puede ser tratado con capas sucesivas de material selectivo para evitar lasreemisiones muy abundantes. Un tubo que tenga buen contacto térmico con elabsorbedor, contiene el fluido portador de calor. Todo el sistema debe estarencerrado y aislado para limitar las pérdidas térmicas.

4.3 funcionamiento un calentador solar de agua

Un calentador solar de agua consta de una superficie plana o absorbedorhecha de metal, generalmente de cobre, cuya superficie es obscurecida paraaumentar la absorción de calor, y una red de tubos que se sueldan alabsorbedor. Todo el conjunto se coloca en una caja con aislante por detrás(unicel, lana mineral etc.) y una o varias capas de vidrio plano por delante.



Figura 3 Calentador Solar de Agua

El colector se instala inclinado para aumentar su superficie en lacaptación de energía solar, dependiendo del ángulo de inclinación de la latituddel lugar; además se coloca el colector de tal forma que a lo largo del año lasdesviaciones de su normal con respecto a la dirección de los rayos solares seanlo más pequeño posible.

Por efecto de la radiación solar captada, la superficie plana delabsorbedor se calienta y transmite calor por conducción térmica a los tubossueldados a la misma. Por el interior de los tubos circula agua que incrementasu temperatura al entrar en contacto con los tubos. La cubierta de vidrioreducen las pérdidas del absorbedor por convección de calor al ambiente, peroal mismo tiempo permiten el paso de la radiación solar que incide sobre elcolector Las pérdidas por radiación se reducen mediante las superficiesselectivas de baja emitancia.

A continuación se muestran tablas con los metales, recubrimientos yaislantes más comunes en los colectores solares.



Tabla 4. AbsorbedoresMetal Conductividad Térmica ( K)

[ W / m 0C ]Cobre 393.56

Aluminio 217.71Latón 121.42Acero 69.49

Como se ve el cobre tiene la más alta conductividadtérmica y aparte de ser un material de precio bajo

Tabla 5.Recubrimientos más usado para obscurecer el absorbedorMaterial α= Absortancia

ε = Emitancia

Pintura enamel negra α= 0.83ε =0.83

Negro de níquel(sobre níquel pulido)

α= 0.91 a 0.94ε =0.11

Negro de níquel(sobre hierro galvanizado)

α= 0.89ε =0.12

Negro de níquel con 2 capasde níquel electrodepositadas

sobre acero.

α= 0.94ε =0.07

Óxido de cobre sobre níquel,mediante electrodo depositado

de cobre y oxidación.

α= 0.81ε =0.17

Oxido de cobre sobre Alumnio. α= 0.93ε =0.11

Etanol sobre cobre. α= 0.9ε =0.16

Cromo negro electrodepositadosobre un recubrimiento de níquel.

α= 0.95ε =0.11

Tabla 6. Aislantes más comunes para usar en los colectoresMaterial Densidad (ρ)

[ kg / m3 ]Conductividad térmica (K)

[ W/ m 0C ]Lana mineral 12 a 14 0.033 a 0.04Corcho granulado 120 0.0476Corcho regranulado 30 0.044Paja 10 –13 0.058Aserrín en polvo 13 a 240 0.065Espuma de poliuretanoRígida

24 0.0245

Poliestireno expandido 16 0.03



5.- MEDICIONES DE EFICIENCIA, RADIACIÓN SOLAR TOTAL Y CALOR ÚTIL CON EL COLECTOR SOLAR PLANO

5.1 Armado del colector solar planoEl colector solar plano está instalado en la azotea del edificio AT y se

hizo la reconstrucción de acuerdo a lo siguiente

Componente delColector

Material Reparación

Placa de cubierta Vidrio Se compróCapa de la placaabsorbente

Pintura negraNo selectiva

Se compró pintura y se pinto

Placa absorbente(aleta)

Cobre Se quitaron dobleces

Conductos decalentamiento

Cobre Se pintó y se repararon fugas

Aislante PoliuretanoComprimido

Se quitó la fibra de vidrio ya que seestaba formando óxido y se colocó elque tuviera menor desgaste.

Caja Aluminio Solo se hizo limpieza; está en buenascondiciones.

Juntas Silicon Se hizo todo el sellado con silicónTermotanque No se contaba con este, por lo que se

uso uno que se construyo por alumnosde la licenciatura en energía.

Conectores Se compró manguera color negro,abrazaderas, uniones para conectar eltermotanque al colector solar.



Figura.4 fotografía del colector solar armado en el laboratorio de energía solaren el edificio AT

la instalación del equipo de medición se hizo de acuerdo a lo siguiente:

EQUIPO DE MEDICIÓN

• Adquisitor de datos de temperatura para termistores marca ACR DATALOGGER

• Software de tiempo real para el equipo de adquisitor de datos TRWIN• Computadora• Termistores marca RADIO SHACK• Piranómetro digital AL 1400



PC

T3

T2 DATA TERMO LOGGER TANQUE

... R

om T1 θ

d

Figura. 5 DIAGRAMA INSTRUMENTACIÓN

T1 Termistor a la entrada del colectorT2 Termistor a la salida del colectorT3 Termistor en el interior del termotanquem Inyección de tinta para medición de flujoθ Angulo de latitud de la Cd. de México (19.5 0)R sensor del piranómetrod Distancia de 20 cm para la medición de flujo

El colector solar plano tiene la ventaja de que su construcción es muyelemental y su operación es simple de entender. El colector está instalado enla azotea del edificio AT orientado al sur con un ángulo de inclinación igual ala latitud de la Cd. de México de 19.5 grados Norte.

Este colector usa el efecto de termosifón el cual se describe a continuación:

la densidad diferencial creada por los gradientes de temperatura se utilizapara hacer que el fluido que está siendo calentado fluya sin ayuda de algúndispositivo eléctrico como una bomba para agua (convección forzada). Elefecto del flujo convectivo natural se le llama Efecto termosifón. el valor del



efecto y la velocidad del flujo del fluido puede calcularse de la siguientemanera: en la Figura 6 se ve un tubo en forma de U que contiene fluido hastauna profundidad total h . Si el tubo se inclina con respecto a la vertical, elvalor de h es la diferencial de elevación o lcosθ, siendo l la longitud del tuboy el θ el ángulo de inclinación medido respecto al cenit. Si se calienta uno delos lados del tubo respecto al otro, la densidad del fluido en la columnacaliente descenderá, debido a que como las dos columnas se equilibran, lalongitud de la columna en la parte caliente se verá aumentada una distancia olongitud dh para que sean iguales los pesos en ambas columnas. De loanterior se tienen las relaciones siguientes

ρ2 < ρl y h2 = hi + dh (1)

el aumento de la columna dh representa una presión adicional y si el tubo secorta en la parte caliente a la temperatura h este aumento de fuerza acelerará elsistema completo. La fuerza que produce la velocidad de flujo es

F = (ρ)(dh)(Ag) = ma (2)

siendo A el área de la sección recta del tubo, la g la aceleración de la gravedady la a la aceleración inducida por la fuerza. Sustituyendo m = 2ahρ para lamasa total del fluido que ha de ponerse en movimiento, despejaremos de laecuación la aceleración teniendo la ecuación siguiente

a = g (dh)/2h (3)

de aquí la velocidad de flujo dada por la ecuación v2 = 2as (s= dh ) es

vflujo ≤ (gh )1 / 2 k ∆T (4)

la desigualdad en la ecuación anterior nos dice que la velocidad sería la que sepresentaría si no existiesen fuerzas que se opusieran al flujo del fluido. En elcaso de velocidad baja las fuerzas de fricción que se oponen al flujo seránpequeñas pero se debe incluir la carga de presión opuesta

dp = f (v/ 2g) (L / D) (5)

La velocidad de flujo será aproximada por las ecuaciones 4 o 6 hastaque el último termino correspondiente a dp alcanza un valor deaproximadamente 0.1 de la carga de presión térmica.



Cabe mencionar que en los colectores solares la temperatura del agua varíadesde el agua fría que entra por la parte inferior hasta el agua caliente que salepor la parte superior. Por lo tanto, debido a que la columna no estaisotérmicamente caliente, la carga dh es la mitad de la correspondiente al casoisotérmico y tendremos vflujo ≤ (gh / 2) 1/ 2k ∆T (6)

Figura 6 Efecto Termosifón

la tabla 7 muestra los materiales y características y La figura 7 muestra uncorte transversal del arreglo



Tabla 7. Características del Colector SolarMaterial Características ObservacionesPlaca de cubierta (vidrio)

Espesor de 4mmy τ = 0.87

El sellado a los bordes del colector se hizocon silicon cuidando que el vidrio pudiera

expandirse o contraerse libremente.Capa de la placaabsorbente

Pintura negra con unaε = 0.96 y α = 0.96

Placa absorbente Cobre con K= 393.56W/m 0C y un espesor

de δ = 2mm

Acanalada en los extremos y va unida altubo con remaches

Conductos decalentamiento

Los cabezales decirculación son de 5/8y los tubos elevadores

son de 3/8 de pulg.Aislante Poliuretano comprimido

de K= 0 .0245 W/m0CCaja 5 alto, 92 ancho y 2.10

de largo (cm)Termotanque Plástico forrado con

papel periodico y cubiertode con impermeabilizante

dimensiones de 57cm de diámetro y 80cmde alto, lo que da un volumen de 200lt

aproximadamente

VIDRIO

PLACA TUBOS ABSORBENTE ELEVADORES 3 / 8

CABEZALES DE 5 / 8

POLIURETANO COMPRIMIDO CAJA

FIG.7 CORTE TRANSVERSAL DEL COLECTOR SOLAR



5.2 Mediciones

Después de haber hecho mediciones de prueba para verificar el buenfuncionamiento del programa TRWIN, se iniciaron las mediciones de acuerdoa lo siguiente:

Ø En intervalos de 8 minutos se registraron las temperaturas de entrada ysalida T1 y T2, el uso de este intervalo de tiempo fue el mas adecuadoya que nos daba un tiempo global de 9 horas, las cuales comenzaban alas 8 am y terminaban a las 5 pm.

Ø El piranómetro digital se programó en intervalos de un minuto.Ø las mediciones de flujo resultaron ser las más complicadas por que no

se podían regular un flujo constante como se propuso de 10 a 20 mm/seg. , no contábamos con un regulador de flujo adecuado, ademáscualquier conexión exterior representaba una resistencia al efectotermosifón. Todo lo anterior nos llevo a recurrir al metodo de inyecciónde tinta a la entrada del colector y con cronometro se hicieronmediciones, los intervalos de tiempo que usamos los especificaremosen la parte de conclusiones pues resulto interesante la obtención de estainformación.

Ø Para la medición del rendimiento del colector solar plano utilizamos laecuación de la eficiencia que se define como el promedio de la gananciaútil sobre un periodo de tiempo específico de la energía solar incidentesobre el mismo período de tiempo.

GtAcQu=η

donde el Qu es el calor útil [J/s] , Gt es la irradiancia [w/m2] y Ac área del colector [m2].

5.3 Resultados

A continuación mostramos las tablas (1 a 6) y graficas de rendimiento delcolector solar plano y de la radiación total (1 a 12) obtenidas de los días quefueron medidos.



Tabla 1. Datos del Colector Solar Plano para el 28 de Noviembre del 2001

Tiempo[min] Flujo[g/seg.] Tamb[°C] Tout[°C] Tin[°C] GT [w/m2] mCp T[J/seg] GT Ac[Watt] Tin-Tamb/G η08:28 3.927 19.3505 15.82083 13.4764 145.66 38.5389 278.356 -0.0403 0.1408:36 3.927 19.4381 18.73769 14.18695 148.27 74.8070 283.344 -0.0354 0.2608:44 3.927 19.5256 19.42297 16.59016 152.21 46.5669 290.873 -0.0193 0.1608:52 3.927 19.6351 20.18822 17.13872 160.23 50.1290 306.200 -0.0156 0.1609:00 3.927 19.7664 20.71371 17.94953 165.34 45.4388 315.965 -0.0110 0.1409:08 3.927 19.8759 20.75001 18.62824 170.82 34.8786 326.437 -0.0073 0.1109:16 3.927 20.0073 22.3031 19.00033 178.79 54.2923 341.668 -0.0056 0.1609:24 3.927 20.1606 22.84389 19.35053 183.05 57.4253 349.809 -0.0044 0.1609:32 3.927 20.2920 23.24791 19.67887 189.72 58.6694 362.555 -0.0032 0.1609:40 3.927 20.4453 24.01527 20.02917 195.43 65.5252 373.467 -0.0021 0.1809:48 3.927 20.599 25.59977 20.3796 199.1 85.8114 380.480 -0.0011 0.2309:56 3.927 20.7521 24.30653 20.73019 204.67 58.7894 391.124 -0.0001 0.1510:04 3.927 20.9275 25.40289 21.081 200.85 71.0451 383.824 0.0008 0.1910:12 3.927 21.081 26.6424 21.21261 210.32 89.2572 401.922 0.0006 0.2210:20 3.927 21.2346 28.47118 21.65162 198.95 112.1028 380.193 0.0021 0.2910:28 3.927 21.4321 30.14506 22.00318 219.53 133.8397 419.522 0.0026 0.3210:36 3.927 21.6516 32.93594 22.2891 224.72 175.0172 429.440 0.0028 0.4110:44 3.927 21.7093 34.89965 22.6634 227.69 201.1446 435.116 0.0042 0.4610:52 3.927 21.7175 36.72605 22.13511 238.8 239.8520 456.347 0.0017 0.5311:00 3.927 21.7395 36.72605 22.22309 250.13 238.4058 477.998 0.0019 0.5011:08 3.927 21.7614 37.46563 22.46518 298.25 246.5837 569.956 0.0024 0.4311:16 5.236 21.8054 37.18407 22.37712 314.21 324.5372 600.455 0.0018 0.5411:24 5.236 21.8493 38.08447 22.61934 358.79 338.9631 685.648 0.0021 0.4911:32 5.236 21.9592 39.13033 22.94997 382.87 354.6394 731.665 0.0026 0.4811:40 5.236 22.1571 40.27626 23.14855 389.68 375.4034 744.678 0.0025 0.5011:48 5.236 22.3991 40.7359 23.23686 431.21 383.5421 824.042 0.0019 0.4711:56 5.236 22.7075 42.16675 23.5241 503.4 408.6077 961.997 0.0016 0.4212:04 5.236 22.9720 43.83966 23.8117 514.69 438.9707 983.573 0.0016 0.4512:12 5.236 23.1706 44.30317 23.85599 484.12 448.1592 925.153 0.0014 0.4812:20 6.981333333 23.2589 44.71239 24.05537 680.92 603.6779 1301.238 0.0012 0.4612:28 5.236 23.3031 43.98404 23.92243 532.22 439.7083 1017.072 0.0012 0.4312:36 5.236 23.1706 42.02747 23.85599 428.41 398.2806 818.692 0.0016 0.4912:44 5.236 23.1044 42.86887 24.27715 477.47 407.4914 912.445 0.0025 0.4512:52 5.236 23.1044 43.18089 24.21059 485.72 415.7891 928.211 0.0023 0.4513:00 5.236 23.1265 41.5291 23.83385 450.29 387.8426 860.504 0.0016 0.4513:08 5.236 23.1486 41.28167 24.07754 430.4 377.0783 822.494 0.0022 0.4613:16 5.236 23.1265 41.50155 24.05537 429.29 382.3836 820.373 0.0022 0.4713:24 5.236 23.1044 41.88855 24.16623 427.61 388.4360 817.163 0.0025 0.4813:32 5.236 23.1044 42.36237 24.25496 467.15 396.8763 892.724 0.0025 0.4413:40 5.236 23.1044 43.15245 24.49918 523.49 408.8404 1000.389 0.0027 0.4113:48 6.2832 23.1265 43.8685 24.81047 594.08 501.2543 1135.287 0.0028 0.4413:56 5.236 23.1927 44.71239 24.72147 486.6 438.1589 929.893 0.0031 0.4714:04 5.236 23.2148 43.81083 24.78822 504.84 416.9356 964.749 0.0031 0.4314:12 5.236 23.2810 43.83966 24.65476 442.9 420.4926 846.382 0.0031 0.5014:20 3.927 23.3031 41.61183 24.34373 370.63 283.8603 708.274 0.0028 0.4014:28 3.927 23.3473 41.03539 24.47696 360.23 272.1945 688.400 0.0031 0.4014:36 3.927 23.3694 41.41899 24.49918 370.87 278.1350 708.733 0.0030 0.3914:44 3.927 23.3915 40.33014 24.29934 340.14 263.5211 650.008 0.0027 0.4114:52 3.927 23.3915 38.89338 24.05537 297.88 243.9135 569.249 0.0022 0.4315:00 3.927 23.3694 38.50058 24.16623 322.93 235.6341 617.119 0.0025 0.3815:08 3.927 23.3473 38.03265 24.01105 271.15 230.4930 518.168 0.0024 0.4415:16 3.927 23.3252 36.62472 23.54621 238.9 214.9901 456.538 0.0009 0.4715:24 3.927 23.3031 35.44572 23.23686 232.73 200.6944 444.747 -0.0003 0.4515:32 3.927 23.3031 34.3603 23.1044 198.08 185.0292 378.531 -0.0010 0.4915:40 3.927 23.3915 33.29106 23.06027 171.19 168.1780 327.144 -0.0019 0.5115:48 3.927 23.5683 32.49891 22.94997 157.92 156.9695 301.785 -0.0039 0.5215:56 3.927 23.5904 32.30806 22.83971 171.03 155.6447 326.838 -0.0044 0.4816:04 3.927 23.6789 32.14144 22.7295 162.27 154.7174 310.098 -0.0059 0.5016:12 3.927 23.7674 31.59631 22.50921 148.92 149.3776 284.586 -0.0084 0.5216:20 3.927 23.8781 31.0077 22.35512 148.2 142.2348 283.210 -0.0103 0.5016:28 3.927 23.9224 30.8436 22.3111 136.66 140.2608 261.157 -0.0118 0.5416:36 3.927 23.8781 30.72656 22.46518 149.58 135.8041 285.847 -0.0094 0.4816:44 3.927 23.8781 32.64235 23.43568 151.38 151.3431 289.287 -0.0029 0.5216:52 3.927 23.8781 31.10161 22.37712 95.246 143.4168 182.015 -0.0158 0.7917:00 3.927 23.8117 28.80452 21.43206 76.119 121.1916 145.463 -0.0313 0.8317:08 3.927 23.7010 26.98422 20.8398 61.617 101.0046 117.750 -0.0464 0.8617:16 3.927 23.5904 25.23384 20.42341 48.412 79.0759 92.515 -0.0654 0.8517:24 3.927 23.4799 23.25894 20.07297 37.719 52.3723 72.081 -0.0903 0.7317:32 3.927 23.3915 22.1791 19.70076 51.453 40.7400 98.327 -0.0717 0.4117:40 3.927 23.3252 21.73948 19.37242 32.173 38.9107 61.483 -0.1229 0.63



Gráfica 1. Variación de la Eficiencia del colector solar en función de la temperatura

Grafica 2. Radiacion Solar para el día 28-Noviembre-2001

Rendimiento del Colector Solar Plano

y = -19.146x + 0.4938

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0.001 0.001 0.002 0.002 0.003 0.003 0.004 0.004

Tin -Tamb/G [0C m2/W]

Efic

ienc

ia

Radiación Solar Total

0

100

200

300

400

500

600

700

800

07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12Tiempo [min]

Rad

iaci

ón [W

/m2 ]



Tabla 2. Datos del Colector Solar Plano para el 29 de Noviembre del 2001

Tiempo[min] Flujo[g/seg.] Tout[°C] Tin[°C] Tamb[°C] GT [w/m2] mCp T[J/seg] GT Ac[watt] Tin-Tamb/G η08:38 4.488 41.8054 18.86901 19.52564 486.63 430.9004 929.9499 -0.00135 0.4608:46 4.488 43.4376 19.08788 19.67887 522.43 457.4531 998.3637 -0.00113 0.4608:54 4.488 44.6537 19.30675 19.83211 557.38 476.1876 1065.15318 -0.00094 0.4509:02 4.488 45.7810 19.5913 19.98538 591.44 492.0204 1130.24184 -0.00067 0.4409:10 4.488 47.1521 19.8978 20.13867 624.56 512.0210 1193.53416 -0.00039 0.4309:18 7.854 48.5022 20.20437 20.31388 656.71 930.3437 1254.97281 -0.00017 0.7409:26 7.854 49.4041 20.44532 20.44532 687.84 952.0720 1314.46224 0.00000 0.7209:34 7.854 50.3917 20.75211 20.5987 717.92 974.4558 1371.94512 0.00021 0.7109:42 7.854 51.5738 21.05907 20.77403 746.91 1003.2290 1427.34501 0.00038 0.7009:50 7.854 52.1951 21.34427 20.92749 774.78 1014.2783 1480.60458 0.00054 0.6909:58 7.854 52.9675 21.60769 21.10293 801.49 1031.0103 1531.64739 0.00063 0.6710:06 7.854 53.3592 21.95922 21.25649 850.01 1032.3329 1624.36911 0.00083 0.6410:14 8.976 53.7187 22.33311 21.41011 877.63 1179.2676 1677.15093 0.00105 0.7010:22 8.976 54.0450 22.24509 21.56378 891.4 1194.8354 1703.4654 0.00076 0.7010:30 8.976 54.8541 22.81767 21.71751 907.17 1203.7227 1733.60187 0.00121 0.6910:38 8.976 55.5287 23.17062 21.9812 935.1 1215.8075 1786.9761 0.00127 0.6810:46 8.976 55.7942 23.41358 22.24509 943.74 1216.6551 1803.48714 0.00124 0.6710:54 8.976 56.2537 23.65679 22.4872 965.99 1224.7793 1846.00689 0.00121 0.6611:02 8.976 56.8357 23.8117 22.7295 978.4 1240.8300 1869.7224 0.00111 0.6611:10 8.976 57.4268 24.03321 22.97202 997.52 1254.7153 1906.26072 0.00106 0.6611:18 8.976 57.6259 24.21059 23.1927 998.48 1255.5306 1908.09528 0.00102 0.6611:26 8.976 57.9064 24.43254 23.43568 1009.5 1257.7294 1929.1545 0.00099 0.6511:34 8.976 58.0676 24.61029 23.65679 1019.7 1257.1076 1948.6467 0.00094 0.6511:42 8.976 58.3107 24.87725 23.85599 1013.1 1256.2114 1936.0341 0.00101 0.6511:50 8.976 58.7605 25.01088 24.07754 1030.2 1268.0918 1968.7122 0.00091 0.6411:58 8.976 58.8016 25.21152 24.29934 1022.3 1262.0996 1953.6153 0.00089 0.6512:06 8.976 58.8016 25.41242 24.47696 1036.3 1254.5511 1980.3693 0.00090 0.6312:14 8.976 59.2574 25.54649 24.67699 1043.4 1266.6392 1993.9374 0.00083 0.6412:22 8.976 58.9667 25.68067 24.87725 1022.5 1250.6753 1953.9975 0.00079 0.6412:30 8.976 58.9254 25.88217 25.07773 1036.2 1241.5510 1980.1782 0.00078 0.6312:38 8.976 59.3409 26.03908 25.25615 1023.9 1251.2671 1956.6729 0.00076 0.6412:46 8.976 58.4736 26.21861 25.45709 997.12 1211.9344 1905.49632 0.00076 0.6412:54 8.976 57.3475 26.42085 25.5912 984.08 1162.0221 1880.57688 0.00084 0.6213:02 8.976 57.8662 26.46584 25.70304 979.04 1179.8207 1870.94544 0.00078 0.6313:10 8.976 58.3107 26.46584 25.85977 970.23 1196.5225 1854.10953 0.00062 0.6513:18 8.976 58.2295 26.62339 25.99423 967.03 1187.5514 1847.99433 0.00065 0.6413:26 8.976 57.4665 26.39837 26.12881 948.94 1167.3406 1813.42434 0.00028 0.6413:34 8.976 57.6259 26.82624 26.24107 929.66 1157.2514 1776.58026 0.00063 0.6513:42 8.976 57.5063 26.96164 26.37589 921.33 1147.6713 1760.66163 0.00064 0.6513:50 7.854 55.7182 26.78114 26.48833 773.83 951.3582 1478.78913 0.00038 0.6413:58 7.854 55.4155 27.34607 26.39837 844.58 922.8330 1613.99238 0.00112 0.5714:06 7.854 55.8323 27.41403 26.44334 874.35 934.3027 1670.88285 0.00111 0.5614:14 7.854 55.4909 27.43669 26.62339 850.5 922.3345 1625.3055 0.00096 0.5714:22 7.854 54.9285 27.73168 26.82624 830.82 894.1456 1587.69702 0.00109 0.5614:30 7.854 55.1900 27.77713 27.0294 815.85 901.2473 1559.08935 0.00092 0.5814:38 7.854 54.6318 27.86808 27.23288 784.96 879.9070 1500.05856 0.00081 0.5914:46 7.854 54.1544 27.93634 27.41403 751.26 861.9664 1435.65786 0.00070 0.6014:54 7.854 53.7910 28.05019 27.59544 755.03 846.2759 1442.86233 0.00060 0.5915:02 7.854 52.8966 28.11856 27.75441 726.37 814.6251 1388.09307 0.00050 0.5915:10 7.854 52.1256 28.16416 27.86808 670.27 787.7769 1280.88597 0.00044 0.6215:18 4.488 51.5396 28.14136 27.70897 656.83 439.5769 1255.20213 0.00066 0.3515:26 4.488 50.5251 28.18696 27.45936 655.3 419.6618 1252.2783 0.00111 0.3415:34 4.488 49.9609 28.46101 27.30078 655.46 403.9136 1252.58406 0.00177 0.3215:42 4.488 49.2741 28.52962 27.27814 645.06 389.7212 1232.70966 0.00194 0.3215:50 4.488 48.7259 28.75866 27.34607 649.86 375.1205 1241.88246 0.00217 0.3015:58 4.488 47.8692 28.82746 27.36872 635.06 357.7326 1213.59966 0.00230 0.2916:06 3.4907 46.5988 28.43814 27.48203 480.27 265.3620 917.79597 0.00199 0.2916:14 3.4907 43.2094 27.86808 27.59544 114.72 224.1656 219.22992 0.00238 1.0216:22 3.4907 39.0512 26.69098 27.45936 90.156 180.6073 172.288116 -0.00852 1.0516:30 3.4907 35.7198 25.39008 27.16502 72.917 150.9369 139.344387 -0.02434 1.0816:38 3.4907 30.8905 25.05545 26.93907 79.352 85.2608 151.641672 -0.02374 0.5616:46 3.4907 28.1870 24.63252 26.48833 78.968 51.9372 150.907848 -0.02350 0.3416:54 3.4907 26.6684 24.38813 26.03908 194.64 33.3197 371.95704 -0.00848 0.0917:02 3.4907 26.1288 24.83273 25.94939 99.52 18.9382 190.18272 -0.01122 0.1017:10 3.4907 27.0068 25.68067 25.90457 174.87 19.3775 334.17657 -0.00128 0.0617:18 3.4907 27.3461 25.63593 25.92698 138.82 24.9884 265.28502 -0.00210 0.09



Gráfica 3. Variación de la Eficiencia del Colector Solar en Función de la Temperatura

Grafica 4 Radiacion Solar para el día 29-Noviembre-2001


y = -19.296x + 0.6502

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0.00000 0.00020 0.00040 0.00060 0.00080 0.00100 0.00120 0.00140

Tin-Tamb/G [0Cm2/ W]

Efic

ienc

ia


0

200

400

600

800

1000

1200

07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12Tiempo[min]

Rad

iaci

ón[W

/m2 ]



Tabla 3. Datos del Colector Solar Plano para el 6 de Diciembre del 2001Tiempo[min] Flujo[g/seg.] Tout[°C] Tin[°C] Tamb[°C] GT [w/m2] mCp T[J/seg] GT Ac[watt] Tin-Tamb/G η

08:35 5.236 21.1249 15.6227 19.7445 450.83 120.5962 861.5361 -0.0091 0.1408:43 5.236 20.7740 16.0408 19.8102 487.07 103.7420 930.7908 -0.0077 0.1108:51 5.236 20.4234 16.3925 19.7883 522.5 88.3491 998.4975 -0.0065 0.0908:59 5.236 20.5111 16.7877 19.7664 557.07 81.6076 1064.5608 -0.0053 0.0809:07 5.236 21.0371 16.8536 19.7227 590.74 91.6953 1128.9041 -0.0049 0.0809:15 5.236 21.1907 16.9194 19.6789 623.47 93.6179 1191.4512 -0.0044 0.0809:23 6.2832 20.8179 17.0510 19.6570 655.21 99.0745 1252.1063 -0.0040 0.0809:31 6.2832 20.2482 17.2703 19.6570 685.93 78.3229 1310.8122 -0.0035 0.0609:39 6.2832 19.5256 17.5771 19.6570 715.6 51.2490 1367.5116 -0.0029 0.0409:47 6.2832 19.1098 18.1466 19.7008 744.17 25.3325 1422.1089 -0.0021 0.0209:55 7.854 19.6789 18.5626 19.7227 771.61 36.7004 1474.5467 -0.0015 0.0210:03 7.854 24.8327 19.0660 19.7883 797.9 189.5922 1524.7869 -0.0009 0.1210:11 7.854 28.9422 19.5694 19.8321 822.98 308.1487 1572.7148 -0.0003 0.2010:19 7.854 31.9040 20.0073 19.8978 846.84 391.1263 1618.3112 0.0001 0.2410:27 7.854 34.6301 20.0949 19.9854 859.45 477.8718 1642.4090 0.0001 0.2910:35 8.976 37.1330 20.6425 20.0730 862.78 619.6056 1648.7726 0.0007 0.3810:43 8.976 46.3246 22.0032 20.2044 873.84 913.8414 1669.9082 0.0021 0.5510:51 8.976 51.6424 22.4652 20.4015 885.94 1096.2913 1693.0313 0.0023 0.6510:59 8.976 52.9675 22.7075 20.5987 895.23 1136.9752 1710.7845 0.0024 0.6611:07 8.976 53.8997 23.0823 20.8179 962.77 1157.9153 1839.8535 0.0024 0.6311:15 8.976 54.4107 23.3694 21.0371 977.33 1166.3337 1867.6776 0.0024 0.6211:23 8.976 54.7799 23.6568 21.2346 980.47 1169.4045 1873.6782 0.0025 0.6211:31 8.976 54.7799 23.9224 21.4101 856.13 1159.4235 1636.0644 0.0029 0.7111:39 8.976 54.9285 24.2328 21.6077 847.68 1153.3471 1619.9165 0.0031 0.7111:47 8.976 54.7428 24.4548 21.7834 891.95 1138.0295 1704.5165 0.0030 0.6711:55 8.976 54.7058 24.7660 21.9372 913.27 1124.9442 1745.2590 0.0031 0.6412:03 8.976 55.4909 25.1669 22.0911 925.74 1139.3799 1769.0891 0.0033 0.6412:11 8.976 56.5630 25.4794 22.2671 902.54 1167.9193 1724.7539 0.0036 0.6812:19 8.976 54.1179 27.3687 22.7075 912.13 1005.0609 1743.0804 0.0051 0.5812:27 8.976 54.9658 27.7544 22.9279 864.11 1022.4263 1651.3142 0.0056 0.6212:35 8.976 54.4475 27.8453 23.1486 802.24 999.5372 1533.0806 0.0059 0.6512:43 8.976 54.7799 27.9136 23.4357 854.59 1009.4619 1633.1215 0.0052 0.6212:51 8.976 55.6802 28.4381 23.6347 922.29 1023.5805 1762.4962 0.0052 0.5812:59 8.976 56.7186 28.6670 23.7674 929.02 1053.9986 1775.3572 0.0053 0.5913:07 8.976 56.7186 28.7128 23.8560 941.9 1052.2769 1799.9709 0.0052 0.5813:15 8.976 56.9140 28.9882 23.9003 921.81 1049.2726 1761.5789 0.0055 0.6013:23 8.976 56.6407 29.1492 23.9667 919.09 1032.9559 1756.3810 0.0056 0.5913:31 8.976 56.6018 29.4257 24.0332 903.57 1021.1044 1726.7223 0.0060 0.5913:39 8.976 56.6797 29.6567 24.0997 879.88 1015.3478 1681.4507 0.0063 0.6013:47 8.976 56.5630 29.8651 24.1884 883.56 1003.1353 1688.4832 0.0064 0.5913:55 8.976 56.6797 29.9578 24.2772 897.56 1004.0333 1715.2372 0.0063 0.5914:03 8.976 56.6407 30.1901 24.3881 889 993.8429 1698.8790 0.0065 0.5814:11 8.976 55.8323 30.1436 24.4992 876.11 965.2142 1674.2462 0.0064 0.5814:19 8.976 55.6423 30.2832 24.6103 831.7 952.8303 1589.3787 0.0068 0.6014:27 8.976 55.5287 30.2366 24.7437 815.13 950.3121 1557.7134 0.0067 0.6114:35 8.976 54.4475 30.2366 24.8773 773.91 909.6876 1478.9420 0.0069 0.6214:43 8.976 53.5745 30.4230 24.9886 751.82 869.8856 1436.7280 0.0072 0.6114:51 8.976 52.9675 30.4463 25.1446 745.66 846.2000 1424.9563 0.0071 0.5914:59 7.854 52.4743 30.5396 25.3008 701.48 721.1424 1340.5283 0.0075 0.5415:07 6.981333333 50.7596 30.1436 25.4124 545.18 602.4797 1041.8390 0.0087 0.5815:15 5.236 48.7259 29.8651 25.5018 496.68 413.3901 949.1555 0.0088 0.4415:23 5.236 46.2942 29.3104 25.5241 404.08 372.2503 772.1969 0.0094 0.4815:31 5.236 45.9013 29.5873 25.5465 454.34 357.5670 868.2437 0.0089 0.4115:39 5.236 45.1547 29.6567 25.5688 417.53 339.6844 797.8998 0.0098 0.4315:47 5.236 45.0364 29.7956 25.5912 423.85 334.0465 809.9774 0.0099 0.4115:55 5.236 44.9478 29.8883 25.6359 465.79 330.0734 890.1247 0.0091 0.3716:03 5.236 44.2741 29.6567 25.6807 402.72 320.3820 769.5979 0.0099 0.4216:11 4.833230769 43.6382 29.5873 25.7254 396.16 284.2765 757.0618 0.0097 0.3816:19 4.833230769 42.6713 29.7724 25.7702 356.54 260.9691 681.3479 0.0112 0.3816:27 4.833230769 40.8446 29.2873 25.7926 309.97 233.8260 592.3527 0.0113 0.3916:35 3.927 39.2095 28.9422 25.7702 270.67 168.7780 517.2504 0.0117 0.3316:43 3.927 37.3375 28.4153 25.7254 226.65 146.6669 433.1282 0.0119 0.3416:51 3.696 34.5319 27.8908 25.6359 197.84 102.7464 378.0722 0.0114 0.2716:59 3.696 30.8670 27.0746 25.5465 177.99 58.6744 340.1389 0.0086 0.1717:07 3.696 28.3924 25.7926 25.5018 148.23 40.2235 283.2675 0.0020 0.1417:15 3.696 27.0972 24.8995 25.5465 123.53 34.0013 236.0658 -0.0052 0.1417:23 3.490666667 27.0294 25.0777 25.6583 93.462 28.5177 178.6059 -0.0062 0.1617:31 3.490666667 28.3924 24.8995 25.7702 63.906 51.0383 122.1244 -0.0136 0.4217:39 3.490666667 29.0112 24.1884 25.8598 54.382 70.4697 103.9240 -0.0307 0.68



Gráfica 5. Variación de la Eficiencia del Colector Solar en Función de la Temperatura Ambiente

Grafica 6. Radiacion Solar para el día 6-Diciembre-2001


y = -17.855x + 0.6622

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0.0000 0.0020 0.0040 0.0060 0.0080 0.0100 0.0120

Ti-Tamb/G [0C m2/W]

Efic

ienc

ia

Radiación SolarTotal

0

200

400

600

800

1000

1200

7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12Tiempo[min]

Rad

iaci

ón [W

/m2 ]




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/m2 ]




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10:00 7,854 51,5054 22,68543 20,70828 771,68 947,5087 1474,68048 0,00256 0,6410:08 7,854 53,4667 23,25894 20,86172 797,62 993,1365 1524,25182 0,00301 0,6510:16 8,976 54,4107 23,78957 21,03714 822,36 1150,5456 1571,52996 0,00335 0,7310:24 8,976 55,5287 24,16623 21,19068 845,88 1178,3989 1616,47668 0,00352 0,7310:32 8,976 56,3308 24,58806 21,36621 868,14 1192,6855 1659,01554 0,00371 0,7210:40 8,976 56,8749 24,87725 21,56378 889,11 1202,2634 1699,08921 0,00373 0,7110:48 8,976 57,5860 25,25615 21,80538 918,61 1214,7460 1755,46371 0,00376 0,6910:56 8,976 58,7605 25,7478 22,22309 949,42 1240,4031 1814,34162 0,00371 0,6811:04 8,976 58,3921 25,94939 22,59731 960,47 1218,9855 1835,45817 0,00349 0,6611:12 8,976 57,9466 26,03908 22,94997 971,43 1198,8776 1856,40273 0,00318 0,6511:20 8,976 58,3107 26,44334 23,30311 972,95 1197,3679 1859,30745 0,00323 0,6411:28 8,976 59,0911 26,78114 23,65679 979,35 1213,9976 1871,53785 0,00319 0,6511:36 8,976 59,3409 27,0294 23,98889 986,8 1214,0573 1885,7748 0,00308 0,6411:44 8,976 59,9730 27,11979 24,25496 989,12 1234,4113 1890,20832 0,00290 0,6511:52 8,976 59,4246 27,43669 24,47696 997,2 1201,8974 1905,6492 0,00297 0,6312:00 8,976 59,5504 27,68625 24,54361 977,44 1197,2492 1867,88784 0,00322 0,6412:08 8,976 59,8034 27,9591 24,67699 1003 1196,5022 1916,733 0,00327 0,6212:16 8,976 60,1861 28,20978 24,78822 994,64 1201,4642 1900,75704 0,00344 0,6312:24 8,976 60,3575 28,52962 24,85499 994,32 1195,8860 1900,14552 0,00370 0,6312:32 8,976 61,3147 28,87336 24,94405 1022 1218,9355 1953,042 0,00384 0,6212:40 8,976 61,4915 29,03415 25,03316 1043,1 1219,5355 1993,3641 0,00384 0,6112:48 8,976 60,6594 29,12614 25,14462 1032,7 1184,8146 1973,4897 0,00386 0,6012:56 8,976 60,6594 29,51802 25,21152 1010,9 1170,0903 1931,8299 0,00426 0,6113:04 8,976 60,8330 29,67983 25,3231 1031,7 1170,5336 1971,5787 0,00422 0,5913:12 8,976 60,7027 30,07391 25,43475 1043,8 1150,8316 1994,7018 0,00444 0,5813:20 8,976 58,8429 29,56423 25,52413 1061,1 1100,1013 2027,7621 0,00381 0,5413:28 8,976 50,7596 28,23259 25,50178 981,87 846,4209 1876,35357 0,00278 0,4513:36 8,976 52,3345 29,28732 25,47944 818,89 865,9622 1564,89879 0,00465 0,5513:44 7,854 56,0999 30,14362 25,54649 750,3 853,3606 1433,8233 0,00613 0,6013:52 7,854 58,8429 30,70317 25,68067 789,12 925,1439 1508,00832 0,00636 0,6114:00 7,854 57,6259 30,51628 25,81497 1049 891,2781 2004,639 0,00448 0,4414:08 7,854 55,4155 30,00425 25,92698 621,45 835,4404 1187,59095 0,00656 0,7014:16 6,981333333 56,7576 30,79677 26,0615 613,05 758,6763 1171,53855 0,00772 0,6514:24 6,981333333 55,0030 30,44629 26,1737 599,6 717,6428 1145,8356 0,00713 0,6314:32 5,236 52,4393 30,00425 26,24107 415,85 491,7287 794,6894 0,00905 0,6214:40 5,236 47,9951 29,31037 26,24107 313,17 409,5293 598,4679 0,00980 0,6814:48 5,236 46,6294 29,37954 26,19615 362,55 378,0795 692,8331 0,00878 0,5514:56 5,236 47,2450 29,35648 26,12881 523,89 392,0792 1001,15379 0,00616 0,3915:04 5,236 46,7825 28,87336 26,01665 369,83 392,5304 706,7451 0,00772 0,5615:12 5,236 42,5869 27,9591 25,88217 247,3 320,6097 472,5903 0,00840 0,6815:20 5,236 44,5951 29,26428 25,79258 413,69 336,0198 790,5616 0,00839 0,4315:28 5,236 48,2479 30,19012 25,77019 859,95 395,7888 1643,36445 0,00514 0,2415:36 5,236 48,6299 30,09714 25,83737 438,9 406,1993 838,7379 0,00971 0,4815:44 5,236 48,0897 29,88826 25,92698 352,78 398,9377 674,1626 0,01123 0,5915:52 5,236 47,1521 29,42568 25,99423 373,43 388,5267 713,6247 0,00919 0,5416:00 5,236 44,7711 29,05714 26,01665 538,62 344,4178 1029,30282 0,00564 0,3316:08 4,488 42,4745 28,41529 25,97181 257,22 264,1269 491,5474 0,00950 0,5416:16 4,488 40,4651 27,86808 25,88217 193,52 236,6565 369,8167 0,01026 0,6416:24 4,488 39,7137 27,98187 25,79258 194,16 220,4034 371,0398 0,01128 0,5916:32 4,488 39,6338 28,16416 25,70304 303,08 215,4775 579,1859 0,00812 0,3716:40 4,488 37,5170 27,09719 25,54649 147,42 195,7538 281,7196 0,01052 0,69




Grafica10. Radiacion Solar para el día 13-Diciembre-2001


y = -6,6618x + 0,6319

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0,00000 0,00200 0,00400 0,00600 0,00800 0,01000 0,01200

Tin-Tamb/G [0Cm2/W]

Efic

ienc

ia


0

200

400

600

800

1000

1200

7:12 9:36 12:00 14:24 16:48Tiempo[min]

Rad

iaci

ón [W

/m2 ]



Tabla 6. Datos del Colector Solar Plano para el 14 de Diciembre del 2001Tiempo[min] Flujo[g/seg.] Tout[°C] Tin[°C] Tamb[|C] GT [w/m2] mCp T[J/seg] GT Ac[watt] Tin-Tamb/G η

8:12 3,490666667 20,906 15,865 19,569 35,19 73,6548 67,2481 -0,1053 1,108:20 3,490666667 20,730 16,919 19,679 77,02 55,6833 147,1852 -0,0358 0,388:28 3,490666667 29,449 17,950 19,788 118,52 168,0260 226,4917 -0,0155 0,748:36 3,927 38,657 20,007 19,920 159,66 306,5784 305,1103 0,0005 1,008:44 3,927 43,209 19,942 20,029 200,38 382,4853 382,9262 -0,0004 1,008:52 3,927 39,820 19,635 20,139 240,62 331,8151 459,8248 -0,0021 0,729:00 3,927 35,945 19,548 20,204 280,34 269,5461 535,7297 -0,0023 0,509:08 4,488 38,292 20,292 20,213 319,5 338,1652 610,5645 0,0002 0,559:16 4,488 36,777 19,876 20,358 358,03 317,5129 684,1953 -0,0013 0,469:24 4,488 35,995 20,292 20,402 395,91 295,0082 756,5840 -0,0003 0,399:32 4,488 37,006 20,971 20,467 433,07 301,2308 827,5968 0,0012 0,369:40 5,236 39,368 21,739 20,533 469,48 386,3860 897,1763 0,0026 0,439:48 5,236 39,687 21,761 20,621 505,08 392,8921 965,2079 0,0023 0,419:56 5,236 40,899 22,333 20,708 539,85 406,9263 1031,6534 0,0030 0,39

10:04 6,2832 41,889 22,641 20,796 573,73 506,2292 1096,3980 0,0032 0,4610:12 6,2832 40,330 22,311 20,862 606,68 473,9273 1159,3655 0,0024 0,4110:20 6,2832 38,999 22,355 21,037 504,71 437,7473 964,5008 0,0026 0,4510:28 6,2832 40,330 23,458 21,235 466 443,7680 890,5260 0,0048 0,5010:36 6,2832 46,022 25,412 21,498 517 542,0579 987,9870 0,0076 0,5510:44 6,2832 49,632 25,793 21,827 605,28 627,0245 1156,6901 0,0066 0,5410:52 6,2832 53,252 26,466 22,179 760,39 704,5155 1453,1053 0,0056 0,4811:00 7,854 55,794 27,097 22,553 828,49 943,4678 1583,2444 0,0055 0,6011:08 7,854 57,506 27,459 22,906 891,08 987,8489 1702,8539 0,0051 0,5811:16 7,854 58,719 27,868 23,237 936,62 1014,2927 1789,8808 0,0049 0,5711:24 8,976 59,550 28,050 23,590 953,51 1183,5747 1822,1576 0,0047 0,6511:32 8,976 59,508 28,324 23,900 949,34 1171,7123 1814,1887 0,0047 0,6511:40 8,976 59,216 28,370 24,122 913,41 1159,0001 1745,5265 0,0047 0,6611:48 8,976 58,843 28,575 24,211 906,61 1137,2555 1732,5317 0,0048 0,6611:56 8,976 60,789 29,057 24,299 949,42 1192,2966 1814,3416 0,0050 0,6612:04 8,976 60,444 29,080 24,388 969,59 1178,4327 1852,8865 0,0048 0,6412:12 8,976 60,877 29,264 24,477 985,68 1187,7829 1883,6345 0,0049 0,6312:20 8,976 60,789 29,241 24,610 1000,5 1185,3793 1911,9555 0,0046 0,6212:28 8,976 59,008 29,011 24,766 992,64 1127,0922 1896,9350 0,0043 0,5912:36 8,976 59,550 29,564 24,900 935,82 1126,6868 1788,3520 0,0050 0,6312:44 8,976 60,272 29,726 25,011 996,4 1147,7062 1904,1204 0,0047 0,6012:52 8,976 60,229 29,842 25,078 989,68 1141,7467 1891,2785 0,0048 0,6013:00 8,976 60,315 29,981 25,145 987,36 1139,7384 1886,8450 0,0049 0,6013:08 8,976 60,016 29,865 25,234 986,64 1132,8590 1885,4690 0,0047 0,6013:16 8,976 59,550 29,981 25,301 960,71 1111,0258 1835,9168 0,0049 0,6113:24 8,976 59,341 30,260 25,390 931,5 1092,6756 1780,0965 0,0052 0,6113:32 8,976 59,761 30,563 25,457 937,26 1097,0770 1791,1039 0,0054 0,6113:40 8,976 60,143 30,656 25,546 964,87 1107,9297 1843,8666 0,0053 0,6013:48 8,976 59,508 30,610 25,658 950,3 1085,8275 1816,0233 0,0052 0,6013:56 8,976 58,351 30,493 25,748 728,61 1046,7382 1392,3737 0,0065 0,7514:04 8,976 58,637 30,773 25,837 907,25 1046,9456 1733,7548 0,0054 0,6014:12 7,854 58,229 30,680 25,927 870,51 905,7459 1663,5446 0,0055 0,5414:20 7,854 57,467 30,750 26,017 841,54 878,3565 1608,1829 0,0056 0,5514:28 7,854 56,875 30,820 26,106 827,69 856,5956 1581,7156 0,0057 0,5414:36 7,854 55,415 30,493 26,219 745,26 819,3738 1424,1919 0,0057 0,5814:44 7,854 55,567 30,540 26,308 786,72 822,8055 1503,4219 0,0054 0,5514:52 7,854 55,303 30,633 26,398 802,32 811,0553 1533,2335 0,0053 0,5315:00 5,236 50,894 29,380 26,443 632,82 471,5572 1209,3190 0,0046 0,3915:08 5,236 43,552 27,754 26,353 491 346,2537 938,3010 0,0029 0,3715:16 4,488 44,859 28,278 26,241 461,79 311,5062 882,4807 0,0044 0,3515:24 4,488 45,992 28,484 26,174 455,62 328,9146 870,6898 0,0051 0,3815:32 4,488 46,294 28,850 26,106 525,49 327,7128 1004,2114 0,0052 0,3315:40 3,927 45,962 28,896 26,106 435,78 280,5250 832,7756 0,0064 0,3415:48 3,927 44,013 28,598 26,084 377,83 253,3930 722,0331 0,0067 0,3515:56 3,927 41,944 28,050 26,039 299,08 228,3935 571,5419 0,0067 0,4016:04 3,927 40,034 27,482 25,972 267,15 206,3423 510,5237 0,0057 0,4016:12 3,927 38,110 27,007 25,905 229,29 182,5253 438,1732 0,0048 0,4216:20 3,927 34,975 26,219 25,882 208,16 143,9402 397,7938 0,0016 0,36






y = 28,862x + 0,3865

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0,0000 0,0010 0,0020 0,0030 0,0040 0,0050 0,0060 0,0070 0,0080

Tin-Tamb/G [0Cm2/W]

Efic

ienc

ia


0

200

400

600

800

1000

1200

7:12 8:24 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48Tiempo [min]

Rad

iaci

ón [w

/m]



De las graficas de rendimiento del colector solar plano anteriores obtuvimos laecuación de la recta (y = mx + b) por el metodo de mínimos cuadrados dedonde la pendiente (mx) es FRUL y la ordenada al origen (b) es FR (τα),también de las tablas 1 a 6 obtuvimos la carga térmica promedio y laeficiencia diaria estos valores se ven en la tabla 7

Tabla 7 Resultados del Colector Solar PlanoCarga

TérmicaPromedio

Eficiencia delDía

Factor de Remoción de Calor porel Producto de la Transmitancia

por la Absortancia

Factor de Remoción deCalor por el Coeficiente de

Perdidas del ColectorQ

[ kW]∑∑=

TDIA G

Qη ( )ταRF FRUL

[W/ m2 C]28NOV01 .3436 .45 .49 19.1429NOV01 1.0917 .58 .65 19.2906DIC01 .8472 .57 .66 17.8512DIC01 .9520 .55 .46 17.5313DIC01 .8399 .60 .63 6.6614DIC01 .7712 .56 .38 28.86La eficiencia promedio para los seis días es de 55% que comparado con el 70% al día del Boiler esbastante pero la reducción de contaminación seria enorme y aun cuando la carga térmica del Boileres aproximadamente 3. 5 kW la cual produce temperaturas de agua ala salida (regadera) de 65 oC(en el colector solar obtuvimos esas temperaturas de salida), sentimos que es un desperdicio deenergía generada pues el común de nosotros usa agua tibia para bañarnos(30oC) y los colectores

solares producen y almacenan esos requerimientos de agua.

Los parámetros FRUL y FR (τα) nos indican como el colector solar trabaja, elprimer parámetro nos indica cuanta energía es perdida y es segunda cuantaenergía es absorbida.

Tabla 8 Análisis Económico para el Ciclo de Ahorro del Colector Solar

Como se veen el año siete tenemos el retorno de la inversión, pero si tomamos en cuenta las alzas de precio del

Gas L.P el tiempo de retorno se iría reduciendo

Año Costo SolarAnual(Cs)

Costo PrincipalRestante

(P)

InteresHipotecario

(R)

PagoPrincipal

(P. P)

TasaCrédito

(T)

CostoSolar(C)

1 1442.16 6000 900 542.16 135 1307.162 1442.16 5457.84 818.676 623.484 122.801 1319.3583 1442.16 4834.356 725.153 717.0066 108.773 1333.3864 1442.16 4117.3494 617.602 824.55759 92.6403 1349.5195 1442.16 3292.79181 493.918 948.24122 74.0878 1368.0726 1442.16 2344.55058 351.682 1090.4774 52.7523 1389.4077 1442.16 1254.07316 188.110 1254.0490 28.2166 1413.943



Donde el costo solar anual se obtiene mediante la siguiente relación:

Costo Solar totalΩ Cs =

Valor Presente (N, i, d) = ( )

++

−−

N

di

id 1111

N= numero de años, i = inflación promedio, d = interes promedio y valorpresente por la relación

Cs= ( ) 1604.415.0,0,7.6000

PV =1442.16

El interés (R) por R = d* P donde d es la tasa de interés (15%).

El pago principal (P.P) = Cs – R

Tasa de crédito (T) = d*I*P donde I es el interés anual (15%)

Costo solar (C) = Cs -T

Ω el costo total es de $7500 menos $1500 de pago inicial



6.- CALENTADOR DOMÉSTICO PARA AGUA CON GAS L.P (BOYLER)

Este dispositivo usa el poder calorífico de un combustible gaseoso ytiene la función de elevar la temperatura del agua que viene de la red urbana ode otra fuente.

El calentador esta provisto de una serie de mecanismos que hacen que elquemador se encienda automáticamente al abrir la llave de la regadera o delgrifo, el agua comienza a fluir por el serpentin o tanque de almacenamientodel boiler y se apague cuando esta deja de fluir al cerrar las llaves del aguacaliente.

El calor que desprende la combustión del gas L.P en el quemador esabsorbido por el agua que circula por el serpentín o tanque dealmacenamiento, calentando así de forma continua según se consuma.

El combustible gaseoso que se utiliza comúnmente es el gas L.P (gaslicuado del petróleo), este gas se obtiene a partir del gas natural, tiene en sucomposición química mezclas de hidrocarburos como el propano ( C3 H8) y elbutano (n- C4H10) principalmente, se licúan para transportarlos y se vaporizanpara almacenarlos en tanques cilíndricos metálicos que se distribuyen a loshogares (para usarse en estufas y Boilers) o empresas. (para calderas ymotores)

A continuación se dan las características de la mezcla del gas L.P

Propano, gas incoloro e inodoro de la serie de los alcanos de loshidrocarburos. Se encuentra en el petróleo en crudo, en el gas natural y comoproducto derivado del refinado del petróleo. El propano no reaccionavigorosamente a temperatura ambiente; pero sí reacciona a dicha temperaturaal mezclarlo con cloro y exponerlo a la luz. A temperaturas más altas, elpropano arde en contacto con el aire, produciendo dióxido de carbono y agua,por lo que sirve como combustible

Utilizado como combustible industrial y doméstico, el propano sesepara de sus compuestos afines: el butano, etano y propeno. El butano, conun punto de ebullición de -0,5 ºC, rebaja la velocidad de evaporación de lamezcla líquida. El propano forma un hidrato sólido a baja temperatura, lo queconstituye un inconveniente cuando se produce una obstrucción en las tuberíasde gas natural. También se emplea en el llamado gas embotellado, como



combustible para motores, como refrigerante, como disolvente a bajatemperatura y como fuente de obtención del propeno y etileno.

El punto de fusión del propano es de -189,9 ºC y su punto de ebullición de -42,1 ºC.

Butano, cualquiera de los dos hidrocarburos saturados o alcanos. En amboscompuestos, los átomos de carbono se encuentran unidos formando unacadena abierta. En el n-butano (normal), la cadena es continua y sinramificaciones, mientras que en el i-butano (iso), o metilpropano, uno de losátomos de carbono forma una ramificación lateral. Esta diferencia deestructura es la causa de las distintas propiedades que presentan. Así, el n-butano tiene un punto de fusión de -138,3 °C y un punto de ebullición de -0,5°C; mientras que el i-butano tiene un punto de fusión de -145 °C y un punto deebullición de -10,2 °C.

Ambos butanos están presentes en el gas natural, en el petróleo y en losgases de las refinerías. Poseen una baja reactividad química a temperaturanormal, pero arden con facilidad al quemarse en el aire o con oxígeno.Constituyen el componente más volátil de la gasolina, y a menudo se les añadepropano en la elaboración del gas embotellado. No obstante, la mayoría del n-butano se transforma en butadieno, que se utiliza para fabricar cauchosintético y pinturas de látex.



7.- ANÁLISIS DE RESULTADOS 7.1Comparación térmica y económica del colector solar plano y el calentador para agua con gas L.P

Se presenta una evaluación técnica y económica de los sistemas solares paracalentamiento de agua que pueden ser usados para aplicaciones domiciliariascomo apoyo o sustitución de calentadores de agua que utilizan gas licuado depropano (Gas L.P.)

Para la realización de las pruebas se utilizó un calentador solar de dimensión2.10 metros por 0.90 metros que desde hace varios años se encontrabadesechado en las instalaciones de la universidad y que debido a su mal estadode conservación no fue utilizado durante varios años.

El aislamiento del economizador, así como la tubería, vidrio, etc., no seencontraba en buen estado de conservación

De igual forma se realizaron las pruebas en seis días completos ubicados entreel 28 de noviembre y 14 de diciembre, días en que la insolación solar es almenos 30% menor a la máxima radiación recibida en abril.

En los seis días en que se tomaron mediciones las condiciones climatológicasfueron las siguientes

28 denoviembre

Totalmente nublado

29 denoviembre

Parcialmente nublado en la tarde.

6 de diciembre Parcialmente nublado desde las 11 horas.12 de diciembre Totalmente soleado.13 de diciembre Totalmente nublado en la tarde.14 de diciembre Muy nublado en primeras horas de la mañana y de

la tarde.

Todo lo anterior, equipo en mal estado, medición en diciembre (mes de másbaja radiación) 50% de nubosidad promedio, etc, se hizo con el objeto dedemostrar que aun un equipo en malas condiciones y en las más desventajosas



condiciones tienen tiempos de retorno de inversión comercialmenteaceptables.

La prueba fue realizada en la Ciudad de México, lugar del altiplano que tieneciertas ventajas en cuanto a menor capa de aire amortiguadora de la radiación(por la altura sobre el nivel del mar) pero que tiene el inconveniente de ser unade las zonas de México con mayor nubosidad. Por este motivo la mayor partede los días en que se realizaron las pruebas eran días nubosos.

Para la realización del análisis se utilizó el panel de superficie cercana a 1.9m2. Se encontró que con 1.9 m2 de superficie colectora con un tanque dealmacenamiento de agua de 200 litros, la energía aportada al sistemadiariamente y en promedio fue equivalente a la energía que genera lacombustión de un 0.47 kilogramos de gas L.P.

Considerando que la eficiencia de un calentador de agua domiciliario es de70%π en promedio, la cantidad de gas sustituido fue de 0.67 kilogramos de gasL.P.

Debido a que el precio promedio del gas Propano en la actualidad y para laCiudad de México es de 5.602 pesos/ kilogramo, el ahorro diario generado esde 3.78 pesos/día y por consiguiente de 1379 pesos al año.

Se presentan en la tabla 8 de la sección de resultados 5.3 los tiempos deretorno de la inversión bajo los actuales indicadores económicos y lastendencias económicas esperadas.

También se presenta el potencial de ahorro de gas LP considerando cuatrodiferentes escenarios de acuerdo con el nivel de penetración del mercado(100%, 30%, 15% y 5% en las casas nuevas) para el periodo 2005 - 2025considerando que las viviendas construidas en todo el país fueran de 400,000viviendas anuales, metas inferiores a la actual del gobierno mexicano.

Finalmente se presenta un análisis financiero basado en diferentes tasas deinterés de varios bancos. Se encontró que con una tasa de interés de 15% lainversión resulta atractiva. Con esta tasa de interés el balance es altamentecompetitivo, estableciendo un pago inicial igual al sistema convencional yrealizando pagos mensuales comparables al importe del gas ahorrado. Esπ DATO OBTENIDO DE CATALOGO DE LA EMPRESA CAL-O-REX2 PRECIO AL MES DE AGOSTO DEL2002 ( FUENTE SECRETARIA DE ENERGÍA)



posible promover la participación de capital privado y obtener mayoresbeneficios al conseguir una producción masiva de colectores solares.

Acerca de la tecnología solar, los sistemas de calentamiento de agua que usancolectores planos son una de las mejor conocidas tecnologías en México. Hoy,en México hay instalados cerca de 240,000 metros cuadrados de colectoresplanos en el sector doméstico, de industrias y de servicios. Sin embargo, estatecnología no está considerada como de uso masivo. Diferentes factores hansido considerados obstáculos para la penetración a gran escala en el mercadomexicano. Entre estos factores, uno es la falta de conocimiento de la poblaciónacerca de esta tecnología y los beneficios que esta conlleva. Otro factor es elalto costo inicial de los sistemas comparados con el costo de los equiposconvencionales de calentamiento de agua.

Conociendo que esta tecnología es técnicamente factible y económicamenteviable, en los últimos años ha ido creciendo el interés del gobierno y de lossectores no gubernamentales de México para promover las tecnologías decalentamiento de agua con energía solar hacia el sector doméstico, así comoencontrar e implementar mecanismos económicos posibles que permitirán elacceso de esta tecnología a la mayoría de la población. Específicamente laComisión Nacional de Ahorro de Energía (CONAE) y la AsociaciónMexicana de Energía Solar (ANES) han estado trabajando juntos para analizarla situación de los sistemas de calentamiento de agua con energía solar enMéxico.

Es importante acentuar que en la ciudad de México, el calentamiento de aguapara uso doméstico es satisfecho principalmente con consumo de gas LP.Entonces, si se quiere promover un mercado sustentable para los colectoressolares planos, es necesario cambiar y ajustar la actual economía energéticamexicana.

METODOLOGÍA.

Se procedió a la operación y evaluación del costo comercial de un colectorsolar bajo estas condiciones y finalmente se realizó una comparación delretorno de la inversión con los precios actuales del gas. El tipo de interésutilizado es de 15%, aunque debe preverse que en los próximos años esteporcentaje tienda a bajar, ya que las metas de inflación del gobierno para lospróximos años es de 3% ± 1%.



POTENCIAL SOLAR EN MEXICO

México, por encontrarse en la zona entre trópicos, es una de las zonas demayor potencial de captación de energía solar a nivel mundial. Debeconsiderarse que gran parte de la superficie nacional tiene baja nubosidadpromedio.

El análisis realizado en el presente estudio es extensible a toda la RepúblicaMexicana.

SIMULACIÓN DE UN SISTEMA SOLAR DE CALENTAMIENTO DEAGUA.

Con un colector instalado en una casa de una familia de clase media formadapor cinco miembros, se puede sustituir una parte del consumo de gas delcalentador de agua tradicional de gas L.P.

Este ahorro puede ser equivalente, como se ha analizado, a 0.67Φ kg/dia de gasL.P.

El colector solar plano considerado consistió en un colector solar plano, untanque de almacenamiento conectado por tuberías. El sistema trabajó en unrégimen de termosifón. Este modelo trabajó con una precisión aceptable parala mayoría de los modelos comercializados de colectores solares. (tubosaletados contenidos en una caja aislada térmicamente)

SISTEMA MODULAR SOLAR DE CALENTAMIENTO DE AGUA

Se tomó un colector con las siguientes características:

a) Área del colector solar.- 1.91 m2

b) Espesor del cristal de la cubierta.- 4 mm.c) El marco y la caja están hechos de aluminio.d) La absorción del colector plano está hecha con una cuadrícula de cobre

con 7 tubos y aletas de cobre. El diámetro de los tubos es de 1.27 cm.

Φ Como promedio de una familia de cinco integrantes se obtiene que cada uno utiliza 100gr/ persona lo que dalos 0.5 a 0.6 Kg. de gas /día.& Se tomo como referencia el calentador Cal-o rex pues es el más usado 29.67% en el D.F, ver referenciasbibliograficas (6) y (13)



e) El aislamiento del colector está hecho con poliuretano comprimidof) Tanque de almacenamiento de agua de 200 litrosg) Masa de flujo de agua variable de 0 a 9 gr/seg, con sistema trabajando

bajo régimen de termosifón.

Se presentan cuatro niveles de penetración de los calentadores solares de aguapara nuevos edificios. Se presenta el potencial de ahorro de gas LP en Méxicopara los siguientes escenarios:

1.- Bajo.- (5% de los nuevos edificios para 2005 al 2025)2.- Medio.- (15% de los nuevos edificios para 2005 al 2025)3.- Alto.- (30% de los nuevos edificios para 2005 al 2025)4.- Total.- (100% de los nuevos edificios para 2005 al 2025)

En términos de disminución de emisiones de CO2 y las repercusiones de estadisminución en la conservación de los ecosistemas el impacto es muysustancial.La disminución total de emisiones de CO2 en los 20 años y considerando quese construyeran 400,000 viviendas anualmente sería de:

Escenario 1.- 300,000 toneladas.Escenario 2.- 900,000 toneladas.Escenario 3.- 1,800,000 toneladas.Escenario 4.- 6,000,000 toneladas

MODULO DE EVALUACIÓN ECONOMICA.

Asumiendo que el costo del calentador solar es de 7,500 pesos mexicanos y unpago inicial de 1500 pesos el cual equivaldría al costo de un calentador deagua automático de 60 litros que use gas. La hoja de cálculo (tabla 8 secciónde resultados 5.3) nos indica que le retorno de la inversión se produciría en 7.5años, sin que se tuviera que abonar ninguna cantidad, ya que el pago inicialsería sustituto del calentador y los pagos anuales se realizarían con el ahorrode gas.



8.-CONCLUSIONES

La cantidad de gas LP ahorrada (20 Kg.) por un típico sistema de 2 metroscuadrados en México, permite el establecimiento de mecanismos definanciamiento que pueden resultar atractivos para la inversión privada.

En el estudio y el análisis de la factibilidad técnica y económica, fueseleccionado un interés del 15% de interés anual (el cual era el existente en elmercado entre marzo y junio del 2002). Si se considera un mecanismo definanciamiento en el cual utilizamos una tasa de interés del 15%, debeconsiderarse un pago de 1500 pesos inicial en el costo del equipo ( 7,500pesos).

Por tanto deben pagarse inicialmente 1,500 pesos el cual equivale al pago deun calentador de agua con gas L.P de 60 litros.

En este caso el monto de la cantidad a financiar es 6,000 pesos el cual puedeser pagado en 7 pagos de 1379 pesos al año y el cual equivale al ahorro de gasanual que puede ser producido por el equipo y un último pago de 690 pesosequivalente a 5 meses de ahorro de gas.

En resumen, haciendo una inversión inicial equivalente al costo de uncalentador de agua convencional que opera con gas LP y realizando un pagomensual equivalente al ahorro de gas LP es posible incentivar a la iniciativaprivada.

Es muy importante volver a comentar que el presente análisis de viabilidadeconómica se realiza por principio de prudencia con un equipo en malascondiciones en los días del año de más baja radiación y con nubosidad muchomás elevada que el promedio de nubosidad que sufre la ciudad de México.



9. - ANEXOS Anexo I: glosario de términos

Absorbente componente de un captador de energía solar (generalmentemetálico) cuya función es absorber y retener la máxima radiación posible delsol, en forma de energía interna. A veces el absorbente es el propio fluido detrabajo.

Absortancia o absortividad (α) relación entre la energía radiante absorbidapor una sustancia y la energía que incide sobre su superficie procedente detodas las direcciones y todas las longitudes de onda. En rigor es la absortanciahemisférica. No es una propiedad de la superficie absorbente, ya que dependetambién de la distribución de longitudes de onda de la radiación incidente. Unbuen absorbente solar debe tener al menos un valor de α comprendido entre0.75 y 0.85 El valor atmosférico se expresa por la ecuación siguiente:

α = ∫ αλ (λ) Gλ (λ) dλ / ∫ Gλ (λ) dλ

en donde αλ (λ) es la absortividad espectral y la Gλ la irradiación incidente delongitud de onda λ también se llama factor de absorción.

Albedo Fracción de la energía incidente difundida por un cuerpo luminoso.Para el cuerpo negro perfecto el albedo es nulo; para la nieve fresca = 0.90 ypara el planeta tierra = 0.30

Altura solar Angulo h formado por un rayo directo del sol y la tangente a lasuperficie terrestre en e lugar considerado. Se mide de 0 a 90 Grados hacia elcenit y de 0 a 90 hacia el nadir.

sen h = senφ senδ + cosφ cosδ cosω

Ángulo de acimut solar ángulo γ que forma la línea sur –norte en undeterminado lugar y la proyección de un rayo solar en el plano horizontal. Porconvenio, el signo es positivo al suroeste (de 0 a 180 grados) y negativo alsureste (de 0 a –180 grados), se calcula por

cos γ= cosδ cosω / cosh



Ángulo cenital ángulo (z) formado por un rayo del sol y la normal a lasuperficie terrestre en el lugar considerado. Se llama también distancia cenitaly es el ángulo complementario de la altura solar: z + h =900 . en función de lalatitud, la declinación y el ángulo horario. Esta dado por

cos z = senφ senδ + cosφ cosδ cos ω

Angulo horario solar (ω) Desplazamiento angular del sol respecto almeridiano solar. (mediodía) Una hora corresponde a Π /12 rad. o 15 gradosde desplazamiento angular. Los valores al sureste son positivos (valoresmatutinos) ya l suroeste son negativos. El valor numérico de 15 0/ h estábasado en el tiempo (24hrs) requerido para que el sol de una vuelta (360 0)aparente alrededor de la tierra. Con el origen en el sur y el tiempo t en horas severifica

ω = 15(12-t)(grados)

Circulación natural es el sistema más simple de captación de la energíasolar. El agua calentada en el captador asciende poe efecto termosifón a unrecipiente situado más alto que el captador y que actúa de almacenador.

Declinación solar (δ) Es el ángulo variable a lo largo del año que forman losrayos solares y la dirección del cenit al mediodía en el ecuador. Un díadeterminado del año, la declinación solar tiene el mismo valor numérico quela latitud en donde a mediodía el sol está en posición vertical sobre unobservador. la declinación es positiva al norte del ecuador y negativa al sur.así si el primero de noviembre δ = -14, tenemos que en los puntos de latitud14 Sur, el sol está a mediodía vertical . A lo largo del año la declinación varíaentre 23.5 y – 23.5 grados. Para cualquier latitud, la altura solar sobre elhorizonte a mediodía en los equinoccios es igual a 90 - φ y en los solsticios(90 - φ) ± 23.5

Verano20

10+ d 0

Ecuador E F M A M J J A S O N D10

- d 20

Invierno

Declinación solar



Eficiencia de colector instantánea razón entre la cantidad de energíaeliminada por el fluido de transferencia del calor, por unidad de apertura,durante un período de 5 minutos o menos y la radiación solar total incidentesobre el colector durante el mismo periodo en condiciones estables.

Emisividad relación entre la radiación energética emitida por una superficiereal y la emitida por un radiador ideal (cuerpo negro) a igual temperatura. Laemisividad normal es el valor medio a 900 respecto al plano de la muestra y alemisividad hemisférica incluye la radiación emitida en todas las direcciones.Es una propiedad de la superficie emisora.

Emitancia es la potencia irradiada por un elemento plano de superficieunidad en todo el espacio que le rodea. su unidad es el Wm – 2

Estratificación disposición natural del agua en un depósito con la más fría enel fondo y la más caliente en la parte superior. En los tanques dealmacenamiento de un sistema de calefacción solar esta estratificación detemperatura es ventajosa ya que el agua que se suministra al colector se tomade la parte inferior del almacenador y así se mejora el rendimiento delcolector solar.

Huso horario región de la tierra comprendida entre dos meridianos aintervalos de 150 de longitud. Se cuentan a partir de la longitud de 00 deGreenwich y al pasar de un huso al siguiente el tiempo de desplaza una horahacia atrás (de 12 a 11) al oeste de Greenwich y hacia delante de (12 a 13) aleste de Greenwich. Dentro de cada zona el tiempo es el tiempo solar mediodel meridiano estándar ( 00, 150, 300 etc). la tierra esta divida en 24 husoshorarios.

Intensidad de radiación energía radiante que pasa a través de un planoimaginario en el espacio por unidad de área, unidad de tiempo y unidad deángulo sólido perpendicular a ese plano.

I = dφ / ds dw [W /m2 estereorradian]

Latitud es el desplazamiento angular por encima o por debajo del plano delecuador medido desde el centro de la tierra. al norte del ecuador es positiva yal sur del ecuador es negativa.



Longitud arco del ecuador comprendido entre el meridiano de un lugar y elmeridiano de referencia que pasa por Greenwich

latitud

longitud ecuador

meridiano de Greenwich

Longitud Terrestre

Radiación difusa (Is) radiación solar que alcanza la superficie de la tierradespués de haber sido difundida por moléculas, polvo etc. en la atmósfera. Nopuede enfocarse por ningún sistema óptico, aunque contribuye al flujo quereciben los colectores planos. También llamada radiación dispersa.

Radiación directa(Id) radiación procedente del sol que se recibe dentro de unestrecho ángulo sólido medido desde un punto sobre la superficie de la tierra,sin haber sufrido ninguna dispersión al atravesar la atmósfera.

Radiación global (G) suma de la componente vertical de la radiación directamás la difusa que incide sobre una determinada superficie horizontal. si laradiación directa forma el ángulo β con la horizontal tenemos G = Id senβ + Isse mide en W / m2 y no debe confundirse con la energía total recibida porunidad de superficie (J / m2).

SolId senβ

Id

β

Radiación Global



10.-BIBLIOGRAFÍA

1) Concheiro, A.A; y Rodríguez V.L (1985), Alternativas Energéticas, Fondode Cultura Económica, México, D.F.

2) Duffie, J.A; y Beckman, W.A (1991), Solar Engineering of thermalProcesses, Wiley, New York.

3) Threlkeld, J.L (1977), Ingeniería del Ámbito Térmico, Prentice / HallInternacional, España.

4) Meinel, A.B; y Meinel, M.P (1977), Applied Solar Energy, Addison-Wesley Publishing Company

5) Almanza, R y Muñoz, F (1994), Ingeniería de la Energía Solar, El ColegioNacional, México.

6) Guevara, R y Navarro, B (1999), Uso de la Energía solar en Sustitución deGas Licuado en Areas Urbanas, Programa Universitario de Energía,UNAM , México D.F

7) Carnicer, E y Mainar, C , Agua Caliente y Aparatos Sanitarios, Paraninfo

8) Vida y Ciencia. Tierra; Verlagsgruppe Bertelsmann Internacional GmbH.España (1985)

9) Balance Nacional de Energía, años 1997,1998,1999 y 2000, Secretaria deEnergía.

10) Anuario Estadístico de Energía, (2000), INEGI

11) Censo de población y vivienda, (2000), INEGI

12) Masera,O; Friedmann, R; de Buen,O, Consumo Residencial de Energía enMéxico: Estructura, Impactos Ambientales y Potencial de Ahorro, PrimeraReunion Internacional sobre Energía y Medio Ambiente en el SectorResidencial Mexicano,1991 México D.F

13) Catalogo de instalación y mantenimiento de industrias ”Cinsa” y “General Electric” para equipos domésticos.



Agradecimientos

Por el soporte técnico aDra.Griselda E. e Ing.Francisco A.

Por la colaboración de información aM.C Omar N., M.C Fernando A., Lic. Angeles P., Ing.

José Luis B., Ing. Gabriel Z.,Ing. Salvador B.

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