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 GÓMEZleonardo.alonso@unimeta.edu.co

MARIO RENÉ BERNAL POVEDA. mbernal@corona.com.co

DIRECTOR PROYECTO: Msc. GABRIEL CAMARGO

VARGASgabriel.camargov@unilibrebog.edu.co

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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