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ENERGIA SOLAR TÉRMICA 

IPN ESIME CULHUACAN  KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N.  10/18/2008 


INDICE   ABSTRACT   

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1.‐ ENERGÍA SOLAR TÉRMICA                 3    2.‐ CUANTIFICACION DE LA ENERGIA SOLAR INCIDENTE          5      2.1.‐Software de cálculo PROSOLMEX‐1            6    2.2.‐Interpretación de los resultados            9  2.3.‐Efectos atmosféricos sobre la radiación          11  2.4.‐Ajustándose a las condiciones reales            12  2.5.‐Influencia de las condiciones climáticas en la captación de energía solar  14  2.6.‐Calculando con PROSOLMEX‐1 el recurso solar de la CD. de México    15  2.7.‐Efectos del clima y la contaminación            17  2.8.‐ Validando los resultados de PROSOLMEX‐1          18  2.9.‐ RETScreen International              19  2.10.‐ Utilizando RETSreen international            19  2.11.‐ Generalidades de RETScreen International          23  2.12.‐ Ventajas de PROSOLMEX‐1 sobre RETScreen International      24    3.‐ CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR              27      3.1.‐Colectores solares planos              27    3.2.‐ Colector solar no vidriado              28    3.3.‐ Colector solar vidriado                28    3.4.‐ Colector solar de tubos al vacio            28    4.‐DISEÑANDO UN COLECTOR SOLAR PLANO VIDRIADO PARA LA CIUDAD DE MÉXICO CON  PROSOLMEX‐1                    30      4.1.‐ Observaciones                  30    4.2.‐ Parámetros de eficiencia de un colector solar         30    4.3.‐ PROSOLMEX‐1 en el diseño de un colector solar plano vidriado    32    CONCLUSIONES:                    33    Apéndice                      34  KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA  1   

 

 


ABSTRACT: ACCORDING WITH THE TWO BESIC QUESTIONS THAT IGSA POWER IS LOOKING FOR US TO RESOLVE AND  EXPLAIN, I CAN SAY YES I DO, I HAVE AN IDEA TO GET REVERSE GLOBAL WARMING. THUS THE PRESENT  WORK ESTABLISHES THE USE AND EXPLOITATION OF THE ENERGY THAT MOVES AND KEEPS ALIVE THE  ENTIRE PLANET, THE SOLAR ENERGY.  IN  A  SUMMARIZED  WAY  THIS  PAPERS  CONTAIN  THE  BESICS  OF  NATURE,  QUANTIFICATION,  AND  COLLECTING OF THAT ENERGY, AND FINALLY THE APPLICATION OF THIS KNOWLEDGE IN THE DESIGN OF  ONE  OF  THE  TREE  TYPES  OF  SOLAR  THERMICAL  COLLECTORS,  THE  FLAT  SOLAR  COLLECTOR.  WHICH  IS  ACTUALLY  NOW  ON  CONSTRUCTION  AND  AFTER  THE  PERFOMANCE  TESTS  WILL  BE  USE  IT  TO  WARM  THE WATER OF I.P.N. ‐ E.S.I.M.E. CULHUCAN GYM’S SHOWERS.     RESUMEN:  ALUDIENDO  A  LAS  DOS  PREGUNTAS  GENERALES  QUE  IGSA  POWER  NOS  PLANTEA  RESOLVER  Y  EXPLICAR,  PUEDO  RESPONDER  QUE  SI,  QUE  SI  TENGO  UNA  IDEA  PARA  REVERTIR  EL  CALENTAMIENTO  GLOBAL. POR LO QUE EL PRESENTE TRABAJO ESTABLECE EL USO Y EXPLOTACION DE LA ENERGÍA QUE  MUEVE Y MANTIENE CON VIDA AL PLANETA ENTERO, LA ENERGÍA SOLAR.  EN  FORMA  CONCISA  DURANTE  ESTAS  HOJAS  SE  DISCUTE  SOBRE  LA  NATURALEZA,  CUANTIFICACIÓN  Y  RECOLECCION  DE  DICHA  ENERGÍA,  Y  FINALMENTE  LA  APLICACIÓN  DE  ESTE  CONOCIMIENTO  EN  EL  DISEÑO DE UNO DE LOS TRES TIPOS DE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS, EL COLECTOR SOLAR PLANO.  EL  CUAL  DE  HECHO  ESTA  EN  FASE  CONSTRUCCTIVA  Y  UNA  VEZ  HABIENDOLE  HECHO  PRUEBAS  DE  FUNCIONAMIENTO SERA INSTALADO EN LAS INMEDIACIONES DEL GIMNASIO DE LA ESIME CULHUACAN  DEL I.P.N., CON EL FIN DE CALENTAR EL AGUA DE LAS DUCHAS.             

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1.‐ ENERGIA SOLAR TÉRMICA  En si la fuente de dicha energía, en este caso el sol, es la misma; pero la diferencia radica en el  proceso que se habrá de llevar a cabo para aprovecharla. Básicamente existen dos categorías, la   primera y más comúnmente conocida es aquella denominada energía solar fotovoltaica, cuyo  objetivo es la obtención de energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos o celdas solares.  (Figura 1.1). 

Figura 1.1 Panel solar fotovoltaico. 

Ahora bien  la  naturaleza  de  funcionamiento  de  los  paneles  fotovoltaicos  no  aprovecha  necesariamente el efecto térmico de rayos solares (aumento de la temperatura) sino la energía  que  lleva  consigo  la  radiación  electromagnética  (los  fotones)  que  a  decir  del  espectro  solar  electromagnético, únicamente aquellos fotones con vibrando a longitudes de onda corta (más  energéticos)  son  capaces  de  provocar  un  desprendimiento  y  flujo  de  electrones  en  las  terminales de las placas de silicio, material del cual normalmente se construyen los paneles.  Lo  anterior  quiere  decir  que  utilizando  silicio  no  podemos  aprovechar  toda  la  energía  del  espectro solar, sino solo aquella cuya longitud de onda sea menor 1.1μm, o sea aprovechamos  parte de la luz ultravioleta, todo el espectro visible y una pequeña parte de la infrarroja. 

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Lo anterior explica que del total de energía solar incidente sobre un panel solar (aunado a otros  factores), únicamente hasta el momento se ha logrado aprovechar y convertir en energía útil  sólo de un 15 a 25% (figura 1.2). 

Figura 1.2 Balance de pérdidas en una celda fotovoltaica.   

En la segunda categoría esta la energía solar térmica que como su nombre lo indica aprovecha  aquellas longitudes de onda del espectro solar capaces de generar un aumento de temperatura  sobre  una  superficie.  Dichas  longitudes  de  onda  corresponden  a  una  parte  del  rango  de  luz  ultravioleta, toda la luz visible y toda la luz infrarroja (figura 1.3). 

Figura 1.3 Espectro electromagnético.   

Traduciendo lo anterior tenemos que del total de energía solar incidente, es posible aprovechar  de un 40 a 70%. Esto con la finalidad de, ya no generar un flujo de electrones, sino calentando  un fluido de trabajo, como lo son en la práctica el agua, aire, glicol, etc.  KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA  4   


2.‐ CUANTIFICACION DE LA ENERGIA SOLAR INCIDENTE  Este capítulo constituyo durante mi trabajo de tesis, uno de los temas más complicados, no ya  por su complicidad, sino por la escases de material bibliográfico en las bibliotecas y datos sobre  irradiación solar sobre suelo mexicano que en un principio batalle por conseguir.  Sin  embargo  una  vez  hecha  la  búsqueda  fue  en  suma  satisfactorio  encontrar  fórmulas  y  ecuaciones para  calcular  desde  la  hora  del  amanecer  y  anochecer  para  cualquier  día  del año,  hasta la inclinación del eje terrestre de rotación con relación al plano de su órbita elíptica para  cualquier época del año.   Averiguar cuantas horas dura un día de invierno en Canadá, siendo para Vancouver de unas 6  horas mientras que al mismo tiempo para Brasil resultaría más del doble, dado que cuando en  el hemisferio norte es invierno, en el sur es primavera y viceversa (figura 2.1) 

Figura 2.1 Estaciones del año para el hemisferio norte en función de la cantidad de radiación incidente. 

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Una vez  entendido  lo  anterior  y  con  las  ecuaciones  ya  disponibles  me  di  cuenta  que  lo  consecuente  era  realizar  un  programa  o  mejor  dicho  un  software  que  calculase  todo  lo  que  hasta el momento llevaba, fue entonces cuando empecé a realizar en hoja calculo de Excel el  programa al que nombré PROSOLMEX‐1.  2.1.‐Software  de  cálculo:  La  descripción  más  adecuada  para  dicho  software  y  que  mejor  menciona sus funciones, es el de programa de cálculo del recurso solar nacional e internacional  sobre  superficies  planas  ya  sean  estas  horizontales  o  inclinadas,  proporcionando  valores  de  irradiación en promedios mensuales y por intervalos horarios para cualquier día del año.   Hasta  este  punto  resultaría  indistinto  la  forma  en  que  se  quiera  aprovechar  el  recurso  solar  calculado por PROSOLMEX‐1, pues en esta parte del programa, los datos proporcionados son  útiles  tanto  a  personas  interesadas  en  el  desarrollo  de  paneles  solares  fotovoltaicos  o  colectores  solares  térmicos,  dado  que  expone  únicamente  la  fracción  de  energía  solar  aprovechable sobre la región de interés del proyecto solar a realizar.  Además PROSOLMEX‐1 nos da la posibilidad de, una vez conocidos los recursos solares de cierta  región,  diseñar  un  colector  solar  térmico  del  tipo  plano,  proporcionándonos  la  eficiencia  de  dicho colector en función de los materiales que hayamos elegido para construirlo, como lo son el  tipo  de  cristal;  especiales  de  alta  transmitancia  o  estándar,  el  tipo  de  aislamiento,  el  tipo  de  material para construir la placa colectora, distancia de la separación entre tubo y tubo de dicha  placa,  diámetro  de  los  tubos,  espesor  de  la  lámina  para  construir  la  placa  colectora,  caudal   circulante del fluido de trabajo dentro del colector, etc. (figura 2.2).    1.‐ Cubierta de vidrio.  2.‐ Placa absorbedora.  3.‐ Tubería de circulación del fluido de  trabajo.   4.‐Cabezales de alimentación y  descarga del fluido de trabajo.  5.‐ Aislante térmico.  6.‐ Caja del colector.  7.‐ Marco del colector.        Figura  2.2  Partes  del  colector  solar  térmico  del tipo plano. 

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A continuación  muestro  uno  de  los  extractos  de  mi  trabajo  de  titulación  para  demostrar  el  funcionamiento  y  utilidad  de  PROSOLMEX‐1  en  base  a  uno  de  los  ejercicios  y/o  problemas  resueltos a lo largo de la tesis:  Ejercicio  1‐3.‐  Para  una  latitud  de  40°N  durante  el  mes  de  noviembre  encontrar  el  promedio  diario mensual de irradiación extraterrestre en una superficie horizontal.   

Inclinación a 0° por ser una superficie  horizontal la del ejemplo  

Angulo de  declinació

Irradiación extraterrestre aparente 

Resultado para una superficie  horizontal, caso del ejemplo

Tabulación mensual  Resultado para el  mes de noviembre 

Figura 2.3 Resultado de la radiación incidente sobre una superficie horizontal ‐ Software PROSOLMEX‐1   

En lo referente a la naturaleza extraterrestre de la radiación calculada, significa que para dichos  resultados no se toman en cuenta los efectos de la atmosfera terrestre, pues es bien sabido que  ésta  afecta  de  forma  apreciable  a  la  radiación  incidente,  tal  como  lo  indica  la  figura  2.4.  En  donde vemos que la línea punteada representa la porción de radiación (ultravioleta, luz visible  e infrarroja) que logro penetrar la atmosfera sin ser absorbida por esta última. 

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Vale la pena mencionar que gracias a este efecto, radiaciones nocivas para la vida en el planeta,  como lo es la radiación ultravioleta de menor longitud de onda y por lo tanto más energética  (UV‐B y UV‐C), es también absorbida en este caso por un componente de la atmosfera mejor  conocido como la capa de ozono.   

Figura 2.4 Fracción del espectro solar que es absorbido por la atmosfera   

Ejercicio 1‐4.‐ Para el ejercicio 1‐3 supóngase ahora una inclinación de la superficie de 60° por  arriba  de  la  horizontal.  Calcule  el  promedio  diario  durante  el  mismo  mes  de  irradiación  extraterrestre sobre dicha superficie. 

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Inclinación a 60° por ser una superficie  inclinada la del ejemplo 1‐4 

Resultado de inclinar la   superficie para  el ejemplo 1‐4

Figura 2.5  Resultado de la radiación incidente sobre una superficie Inclinada ‐ Software PROSOLMEX‐1   

2.2.‐Interpretación de los resultados: Es notorio el efecto que se tuvo, al inclinar la superficie  60° en relación con la cantidad de radiación incidente, obteniendo casi el doble comparándola  con  una  horizontal.  Es  entonces,  que  aunque  el  programa  nos  arroje  valores  para  regiones  idealizadas en cuanto a la ausencia de atmosfera o en otras palabras, extraterrestres, nosotros  podemos  deducir  que  para  optimizar  la  incidencia  de  energía  solar  sobre  una  superficie,  es  necesario inclinarla ciertos grados según la época del año.     Si nuevamente miramos la tabulación por meses de la figura 2.5, para las dos últimas columnas  observaremos  la  diferencia  de  energía  incidente  para  una  superficie  horizontal  (R.Hz)  y  una  superficie  inclinada  (R.  Inc).  Los  colores  cálidos  en  alguna  de  las  dos  columnas  (rojizos)  simbolizan  un  aumento  de  la  incidencia  de  radiación  solar,  en  relación  con  los  colores  fríos  (azulados)  de  la  otra  columna.  En  donde  se  demuestra  que  no  necesariamente  la  inclinación  que  mantiene  la  superficie  del  ejemplo  anterior  durante  Noviembre  (60°)  será  la  idónea  durante los meses de primavera y verano (de Mayo a Agosto) si lo que se busca es una mayor 

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incidencia radiación solar. En donde incluso conviene mantener la superficie lo mas horizontal  posible.    Manejando  estos  valores,  y  aprovechando  la  elocuencia  con  la  que  las  gráficas  hacen  comprensibles  la  interpretación  de  los  resultados,  es  posible  elaborar  una  en  la  que  se  muestren los datos de incidencia de la radiación en función de varias inclinaciones posibles de  la  superficie  o  colector,  así  coma  también  su  comportamiento  a  lo  largo  del  año,  tal  como  lo  vemos en la figura 2.6, la cual ya nos muestra valores de radiación incidente para una latitud de  19.32°, siendo esta la latitud de la ciudad de México. 

Figura 2.6 Incidencia de la radiación incidente sobre una superficie en la CD de México ‐ Software PROSOLMEX‐1   

Las curvas  de  la  gráfica  se  pueden  ahora  interpretar  con  facilidad,  por  ejemplo  la  correspondiente  a  una  inclinación  de  0°  (curva  verde),  es  decir  horizontal.  Se  aprecia  que  durante los meses más fríos del año, de septiembre a marzo (correspondientes a las estaciones  de  otoño  e  invierno)  los  niveles  de  incidencia  son  mucho  muy  bajos,  esto  es  porque  el  sol,  además de durar menos tiempo en su recorrido sobre el firmamento, sale mucho más bajo en  el horizonte en comparación con la altitud que alcanza en verano (figura 2.6).    Si  lo  que  buscamos  es  hacer  incidir  la  mayor  cantidad  de  energía  radiante  del  sol  sobre  una  superficie, lo que debemos hacer es mantener a dicha superficie y a los rayos solares en ángulo  de 90° entre sí, o lo más cercano posible. Con esto la energía del sol incide plenamente sobre la  superficie y esta última podrá, según sus cualidades de absorción, tener disponible sobre si la  máxima cantidad posible.  KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA  10   


Figura 2.7 Diferentes alturas del sol alcanzadas durante los meses del año    

Entonces observando  nuevamente  la  gráfica  de  la  figura  2.6,  al  ir  aumentando  la  inclinación  (hacer  más  perpendicular  el  plano  de  la  superficie  con  relación  a  los  rayos  del  sol),  se  va  mejorando  la  incidencia  de  radiación  sobre  la  superficie  hasta  el  punto  de  poder  afirmar  que  con una inclinación de, por ejemplo, 30° durante el invierno para la ciudad de México, puede  igualarse  con  las  condiciones  de  incidencia  en  otra  superficie,  ahora  horizontal,  durante  los  meses más cálidos del año (mayo a agosto).    2.3.‐Efectos  atmosféricos  sobre  la  radiación:  Si  bien  es  cierto  que  hasta  el  momento  el  programa  PROSOLMEX‐1  ha  manejado  resultados  idealizados  en  cuanto  a  la  carencia  de  atmosfera,  es  decir  la  ausencia  de  la  capa  de  ozono,  gases  como  el  oxigeno,  nitrógeno,  hidrogeno  y  otros;  que  como  se  indicó,  estos  no  sólo  absorben  parte  de  la  energía  radiante  proveniente del sol, sino que también la dispersan, cambiando la dirección de los rayos solares  que  originalmente  viajaban  paralelamente  entre  sí,  dando  lugar  a  la  llamada  radiación  difusa  (figura 2.8).   

Figura 2.8 Radiación Directa y Difusa   

La figura  2.8  muestra  las  dos  componentes,  directa  y  difusa,  en  las  que  queda  divida  la  radiación solar extraterrestre una vez atravesada la atmosfera, observamos que las nubes (hielo  KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA  11   


y gotas de agua en suspensión) absorben y dispersan los rayos solares en todas direcciones, es  por  ello  que  durante  una  tarde  nublada  los  objetos  sobre  la  superficie  no  crean  sombras,  porque  la  luz  proviene  de  todas  direcciones  (radiación  difusa),  en  contraste  con  un  día  despejado,  en  donde  los  rayos  solares  no  dispersos  y  paralelos  entre  sí  (radiación  directa)   provocan sombras en todos los objetos.   2.4.‐Ajustándose  a  las  condiciones  reales:  Numerosos  investigadores,  así  como  grupos  e  instituciones  tanto  nacionales  como  internacionales,  han  realizado  mediciones  de  irradiación  solar  en  distintas  localidades  de  interés  nacional,  y  gracias  a  estos  valores  es  posible  estimar  con  mucha  más  exactitud  el  potencial  del  recurso  solar  sobre,  por  ejemplo,  la  ciudad  de  México.   Una  de  las  primeras  fuentes  de  información  a  las  que  tuve  acceso,  fueron  los  mapas  de  irradiación  solar  global  (la  directa  mas  la  difusa)  en  la  república  mexicana  (figura  2.9),  publicación del “Instituto de Ingeniería de la UNAM”  titulada “Ingeniería de la Energía Solar II1”  escrito por el Dr. Rafael Almanza Salgado en Octubre del 2003. 

Figura 2.9 Mapa de irradiación solar global para la república mexicana 

                                                            1

Los mapas de irradiación para la república mexicana del todo el año se anexan en el apéndice  

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El mapa de la figura 2.8 muestra, a partir de mediciones locales, el promedio de la suma de las  componentes directa y difusa, es decir la irradiación solar global para las principales ciudades  de la república mexicana.    Otra de mis fuentes de información y puntos de comparación con aquellos publicados por los  investigadores  de  la  UNAM,  son  los  datos  meteorológicos  de  satélite  y  estaciones  en  tierra  disponibles  por  internet  en  la  página  de  la  Administración  Nacional  de  Aeronáutica  y  del  Espacio (NASA) y el Ministerio de Recursos Naturales del gobierno de Canadá (figura2.10).   

Figura  2.10  Regiones  en  el  mundo  cuyos  valores  meteorológicos  se  encuentran  disponibles  y  constante  monitoreo 

La información meteorológica de cada ciudad se despliega tabulada en valores representativos  promediados  mensualmente  (figura  2.11)  como  lo  son  la  temperatura  del  aire,  la  humedad  relativa, la radiación solar diaria (global), la presión atmosférica, la velocidad del viento, entre  otros.    

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Figura 2.11 Datos meteorológicos para la ciudad de México, fuente: NASA   

2.5.‐Influencia  de  las  condiciones  climáticas  en  la  captación  de  energía  solar:  Igual  que  la  distancia en grados de determinada ciudad al ecuador terrestre (latitud), influyen también las  condiciones  meteorológicas  de  la  región  así  como  los  niveles  locales  de  contaminación,  para  determinar  cual  ciudad  tendría  mejor  recurso  solar  que  otra.  Lo  anterior  se  puede  entender  mejor con el siguiente ejemplo:    Para  un  sistema  domestico  de  calentamiento  de  agua  con  una  superficie  efectiva  de  6m2  de  colectores solares planos, la demanda diaria es de 300 Litros de agua a 60°C, la aportación solar  de la energía total requerida es:    KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA  14   


Fuente: Ministerio de Recursos naturales de Canadá (www.retscreen.net)   

La tendencia lógica es hallar mayor potencial solar en regiones más cercanas al ecuador, puesto  que se acercan más a los trópicos, los días duran más y el sol alcanza mayores altitudes (en el  ecuador todos los días y noches del año son de 12 horas). Sin embargo aquí entra también en  juego el clima de la región, o lo que en otras palabras representa la nubosidad de la ciudad, por  ejemplo  en  Be’er‐Sheva,  Israel  ubicada  a  31°  latitud  norte  aprovecha  del  sol  el  75%  de  la  energía requerida a pesar de estar más apartada del ecuador, de lo que lo están ciudades como  Puerto  Limón,  Costa  rica  (10°N)  o  Jakarta,  Indonesia  (6°S)  o  Harare,  Zimbabwe  (18°S);  cuya  aportación solar en las dos primeras es de tan solo 59% y de 69% la tercera. Como referencia la  ciudad de México se encuentra a 19.4° latitud norte.    2.6.‐Calculando  con  PROSOLMEX‐1  el  recurso  solar  de  la  CD.  de  México:  A  continuación  se  presentaran  una  estimación  tabulada  mensualmente  del  recurso  solar  aprovechable  en  la  ciudad de México, en donde se introducen los datos de radiación solar diaria local de la figura  2.10 provenientes de las estaciones satélites y en tierra de la NASA.    

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Figura 2.12 Calculo de la radiación global incidente sobre el suelo de la ciudad de México, Fuente: PROSOLMEX‐1

Datos irradiación solar de satélite de la NASA

Resultados en J/m2 y en

KWh/m2

Graficando los valores de PROSOLMEX‐1 y comparando la ganancia de la energía solar incidente  con una superficie horizontal: 

Figura 2.13 Radiación incidente en superficies de 0 y 30° de inclinación respectivamente en la CD. de México. 

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2.7.‐Efectos del clima y la contaminación: PROSOLMEX‐1 da la posibilidad de analizar el recurso  solar de casi cualquier región del mundo, por lo tanto resultaría interesante conocer ahora el  recurso solar de la ciudad de Puebla dada la cercanía de ésta con la ciudad de México (casi la  misma  latitud)  y  comparar  cuales  serían  las  diferencias  en  los  niveles  de  incidencia  de  dos  superficies idénticas instaladas una en cada ciudad a una inclinación de 30° sobre la horizontal.   

Figura 2.14 Datos meteorológicos para la ciudad de Puebla, fuente: NASA 

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Figura 2.15 Radiación incidente en una misma superficies a 30° en el D.F. y Puebla. Fuente: PROSOLMEX‐1   

Las ciudades de México y Puebla tienen climas muy parecidos, temperaturas anuales de 16.9 y  16.5°C  respectivamente.  Están  casi  a  la  misma  latitud,  19.4  y  19.1°N  para  el  D.F.  y  puebla  respectivamente;  sólo  hace  falta  echar  un  vistazo  a  las  figuras  2.11  y  2.14  para  ver  sus  similitudes.  Por  lo  tanto  puedo  deducir  que  la  explicación  para  el  hecho  de  que  incida  más  energía solar sobre una superficie en Puebla, se debe al menor nivel de contaminación de dicha  entidad, que absorbe en menor cantidad la radiación solar. Por lo tanto habría que admitir que  en Puebla de Zaragoza pega más el sol.    2.8.‐  Validando  los  resultados  de  PROSOLMEX‐1:  Es  de  suponer  que  hasta  el  momento  se  tengan  ciertas  dudas  en  relación  a  la  cercanía  de  los  resultados  y  valores  obtenidos  con  PROSOLMEX‐1, a los correspondientes con la realidad. Para poder determinar los valores reales  a aquellos provenientes de condiciones analíticas se requiere poseer de aparatos de medición  especiales,  entre  estos  están  los  heliógrafos  (miden  la  duración  en  horas  de  un  día),   pirheliómetros  (mide  la  radiación  directa), piranómetros  (radiación  directa,  difusa  y  global),  entre otros. Los cuales por su grado de especialización y costo son de difícil acceso.    Por lo tanto para comparar de manera práctica y segura los valores que propone mi programa  lo  que  hice  fue  buscar  algún  otro  ya  existente  que  contara  con  el  aval  de  institutos  de  investigación nacionales e internacionales lideres en el tema. Y finalmente encontré el solfware  RETScreen International.   

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2.9.‐ RETScreen International: Creado por el Ministerio de Recursos Naturales del gobierno de  Canadá  en  colaboración  con  la  “Administración  Nacional  de  aeronáutica  y  del  Espacio”  (N.A.S.A.),  entre  otras  organizaciones  internacionales  especialistas  en  lo  que  a  recursos  renovables  respecta  (figura  2‐16).  RETScreen  International  es  un  programa  encaminado  al  desarrollo  de  proyectos  en  energías  renovables,  por  lo  que  se  abarca  una  amplia  gama  de  aplicaciones, en tecnologías tales como la energía eólica, mini hidráulica, energía solar térmica  y fotovoltaica, energía mareomotriz y de las olas, sistemas de biomasa, geotérmica, etc.  

Figura 2.16 Socios y colaboradores de RETScreen International 

El  software  RETScreen  International  es  de  distribución  libre,  tanto  este  como  información  de  proyectos  en  energías  alternativas  en  desarrollo  o  ya  en  funcionamiento,  se  encuentran  disponibles en la página de internet www.retscreen.net .   2.10.‐  Utilizando  RETSreen  international:  RETScreen  es  capaz  de  calcular  la  cantidad  de  radiación solar diaria total incidente IT sobre una superficie inclinada en la ciudad de México.  

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Figura 2.17 Visualización inicial del retscreen international 

El programa inicialmente pide, entre otras cosas, la descripción del proyecto y la selección de la  ubicación donde habrá de llevarse  acabo, una vez seleccionado lo último, aparecen datos como  los mostrados en la figura 2.17.    KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA  20   


RETScreen cuenta  con  una  amplia  base  de  datos,  con  los  valores  locales  de  irradiación  total  diaria‐mensual  horizontal  de  una  gran  cantidad  de  ciudades  alrededor  del  globo  terráqueo  (figura 2.10).    En  la  segunda  parte  del  programa  se  difinen  las  cararteristicas  principales  de  la  instalacion,  como  de  tratarse  de  una  alberca,  los  metros  cuadrados  de  superficie  de  la  misma,  la  temperatura deseada, alberca techada o al aire libre, uso de cubierta térmica, porcentaje del  uso de la alberca por mes, entre otras cosas (figura 2.18).   

Figura 2.18 Proyecto para climatizar el agua de una alberca semiolimpica con energía solar ‐ RETScreen  international. 

Finalmente RETScreen  proporciona  un  dato  muy  valioso  para  el  dimensionamiento  de  una  instalación  solar  térmica,  este  es  finalmente  la  cantidad  de  irradiación  solar  diaria  total  incidente IT sobre una superficie inclinada por metro cuadrado y en función del mes del año. Tal  como se muestra a continuación.   

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Inclinación en grados del colector Orientación en grados del colector (desviación con respecto al sur geográfico)

Figura 2.19 Energía solar incidente en sendas superficies horizontal e inclinada,  retscreen international. 

Comparando los resultados anteriores con los que PROSOLMEX‐1 maneja,   

Figura 2.20 Energía solar incidente en una superficies inclinada 30°,  PROSOLMEX‐1. 

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en ambos resultados vemos que el porcentaje de variación no supera el 3.5% en el peor de los  casos, tal como lo muestra la siguiente tabla.    TABLA 1 Resultados para la IT de RETScreen International y PROSOLMEX-1

2.11.‐ Generalidades  de  RETScreen  International:  Es  innegable  el  gran  valor  y  potencial  del  software  RETScreen  International,  primero  porque  no  sólo  abarca  proyectos  en  energía  solar  térmica,  sino  una  amplia  gama  de  posibilidades  energéticas  en  cuanto  al  uso  de  energías  renovables  respecta.  Sin  embargo  el  alcance  de  este  programa  abarca,  a  mi  parecer,  únicamente tres aéreas:    1. En  base  a  las  necesidades  de  consumo  (residencial,  comercial  o  industrial)  ayuda  a  cuantificar la energía necesaria para satisfacer la demanda.  2. Una  vez  conocida  la  demanda,  y  también  ya  definida  la  alternativa  energética    (en  nuestro caso la solar), te ayuda a seleccionar el equipo (proveedores comerciales) que  mejor  se  ajuste  a  tus  necesidades,  con  mejores  prestaciones  y  menor  costo  (también  realiza análisis financiero, de amortización, etc).  3. Contabiliza el monto de emisiones de gases efecto invernadero que se estarían evitando  con  el  uso  de  energías  renovables.  Esto  último,  creo  yo,  es  de  gran  valor  pues  es  en  esencia la misión de los institutos creadores de este software, es precisamente revertir  los efectos del calentamiento global, sin frenar las actividades económicas a las que el  ser humano del siglo XXI está comprometido. 

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Continuando con el ejemplo de la alberca de la ESIME CULHUACAN, una vez conocida radiación  solar sobre la superficie inclinada (potencial solar), se escoge de una variada lista de fabricantes  de colectores solares el deseado.    

Figura 2.21 Energía solar incidente en una superficies inclinada 30°, PROSOLMEX‐1. 

Al tomar,  en  el  ejemplo,  un  colector  vidriado  de  la  marca  HELIOCOL  modelo  CR‐1202,  automáticamente  se  cargan  los  valores  característicos  de  dicho  colector,  como  lo  son  las  dimensiones y los parámetros térmicos de funcionamiento.     El programa, a través de la figura  propone la cantidad de colectores (HELIOCOL CR‐120) óptima  para la aplicación (78 colectores), sin embargo el usuario puede elegir menos o más en función  de su bolsillo (o del porcentaje obligatorio de energía aportada por fuentes no contaminantes  regulado  por  las  legislaciones  locales),  finalmente  se  muestra  la  fracción  de  energía  que  se  obtendría del Sol (fracción solar 75% para el ejemplo), el 25% restante podrá ser suministrado  por fuentes energéticas convencionales (figura 2.21).     2.12.‐ Ventajas de PROSOLMEX‐1 sobre RETScreen International: Seria natural afirmar que no  tiene mucho sentido crear o trabajar en un programa, que hace lo mismo que los gratuitamente  disponibles a todo público (por internet). La diferencia es que PROSOLMEX‐1 es un programa,  que además de calcular lo que hasta el momento se ha visto, está también enfocado al diseño                                                               2

Marca y modelo de colector comercialmente disponible en México. 

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de colectores  solares  de  tipo  sin  y  con  cristal;  encontrándome  actualmente  desarrollando  la  parte para colectores de tubos al vacio (siendo estos últimos presentaciones constructivas de  los colectores solares planos, ver capitulo 3, página 26).    A continuación se muestran algunos datos de interés calculados por PROSOLMEX‐1:   

Radiación incidente  para de las 12 a  13hrs durante un día  de octubre 

Radiación absorbida por  un colector con las  características de una  cubierta arriba descritas

Total de radiación incidente  durante un día típico en octubre 

Figura 2.22 PROSOLMEX‐1. Calculo de radiación horaria disponible y absorbida por un colector solar   

En la  figura  2.22  PROSOLMEX‐1  muestra  la  distribución  horaria  del  total  de  la  energía  solar  disponible y absorbida por un colector solar durante un día promedio de todos los del mes de  octubre. Conociendo la distribución horaria podemos, por ejemplo, estimar durante que rango  de  horas  convendrá  tener  operando  los  colectores,  pues  si  la  energía  disponible  no  es  la  suficiente, podríamos estar operando, los colectores, como radiadores de calor3.   En la siguiente figura se muestra los datos de la cantidad mensual de energía absorbida por el  colector, donde cabe señalar que no es necesariamente energía útil, pues aunque se hable de                                                               3

Siempre y cuando se tenga la instalación solar operando por circulación forzada. 

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energía absorbida,  aun  falta  conocer  qué  fracción  de  ésta  podrá  removerse  del  colector  (por  cualquier medio, agua, aire, refrigerante, etc.) y efectivamente convertirse así en energía útil.   

Figura 2.23 PROSOLMEX‐1. Cálculo de radiación promedio mensual disponible y absorbida por un colector solar   

La sección  del  PROSOLMEX‐1  dedicada  al  diseño  de  un  colector  solar  plano  vidriado  se  desarrolla durante el capítulo cuarto del presente trabajo. 

                      KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA  26   


3.‐ CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR    Hasta el capitulo anterior tratamos únicamente de la cantidad de energía solar incidente sobre  una  superficie,  ahora  dando  un  segundo  paso,  es  necesario  estimar  qué  fracción  de  total  de  energía incidente, es realmente captada y convertida en energía útil.    3.1.‐Colectores  solares  planos:  Existen  tres  presentaciones  constructivas  para  dichos  colectores, las cuales se presentan en la siguiente figura:    a) 

b)

c)

Figura 3.1 Tipos de colectores solares planos   a) no vidriado  b) con vidrio  c) de tubos al vacio   

La diferencia entre los tres tipos constructivos radica, en la efectividad de la conversión de la  energía  captada  en  energía  útil.  Hablando  precisamente  de  dicha  efectividad  se  toman  en  cuenta tres factores, y estos son:  1. Qué cantidad de energía solar se tiene disponible por metro cuadrado en la zona donde  se piensa instalar los colectores (potencial o recurso solar)  KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA  27   


2. Del potencial solar de la región, cuanta energía solar es capaz de absorber el colector  3. De la cantidad de energía solar absorbida por  el colector, qué fracción se convirtió en  energía útil.  3.2.‐  Colector  solar  no  vidriado:  Este  tipo  de  colector  es  el  más  económico  de  los  tres  existentes, su funcionamiento es simple, dado que únicamente se hace circular el fluido de  trabajo por el interior de unos conductos de polímero negro flexible, el cual se calienta con  los rayos solares.  Este colector tiene buena absorción de la energía solar incidente, sin embargo debido a que  no se encuentra aislado, presenta un alto porcentaje de pérdidas de calor a los alrededores  particularmente en climas ventosos.   Debido al material con el que están construidos (plástico) no son capaces de soportar altas  presiones, las cuales ocurren cuando se manejan mayores caudales (a mayor caudal mejor  eficiencia  del  colector),  sin  embargo  debido  a  su  reducido  costo,  son  efectivos  en  aplicaciones donde la temperatura deseada sea baja (30 a 40°C), regiones cálidas con bajas  velocidades del viento y para su uso por temporadas (primavera y verano).    3.3.‐ Colector solar vidriado: De costo un poco mayor en comparación al no vidriado, este  colector  tiene  también  buena  absorción  de  la  energía  solar  incidente,  aunque  un  poco  menor  que  el  no  vidriado,  debido  precisamente  a  las  fracciones  de  radiación  solar  que  el  cristal  pudiera  reflejar  y  absorber.  No  obstante  las  pérdidas  por  convección  a  los  alrededores son mucho más bajas que el colector anterior, gracias a que la caja y el cristal lo  protegen en contra de los efectos convectivos del viento.   Esta  clase  de  colector  plano  es  ideal  para  aplicaciones  en  donde  se  requiera  agua  a  temperaturas moderadas (hasta 50°) en climas de templados a fríos (en este último con un  sistema  anticongelamiento),  pudiendo  operar  durante  todo  el  año;  sin  importar  las  velocidades del viento de la región.  3.4.‐ Colector solar de tubos al vacio: Es el más costoso de las tres clases de colector, sin  embargo  sus  pérdidas  al  ambiente  son  extremadamente  bajas  pues  al  estar  los  tubos  al  vacio  se  elimina  la  posibilidad  de  pérdidas  por  convección  del  interior  de  la  placa  absorbedora hacia el cristal.   La absorción de la energía solar buena debido a que el tubo de cristal crea una especie de  efecto  concentrador  (parecido  al  de  una  lupa)  de  los  rayos  solares,  sobre  la  placa  de  absorción y el tubo de cobre internos (figura 3.2).  

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Figura 3.2 Colectores solar de tubos de calor al vacio 

Los colectores solares de tubos al vacio disponibles en México funcionan haciendo circular agua  o  algún  fluido  similar  por  su  interior,  con  la  intención  de  remover  el  calor  absorbido  por  los  tubos,  sin  embargo  ya  también  existen  en  otras  partes  del  mundo  aquellos  que  manejan  un  líquido refrigerante, conocidos como tubos de calor (heat‐pipe). La diferencia estriba en que el  refrigerante al tener un punto de ebullición mucho más bajo que el agua, evapora fácilmente  absorbiendo  la  energía  térmica  de  la  placa,  dicho  vapor  asciende  hasta  el  tanque  de  almacenamiento  del  agua  o  fluido  a  calentar,  intercambiando  el  calor  con  dicho  fluido,  se  condensa y cae por gravedad hasta los tubos al vacio del colector, donde comienza nuevamente  el ciclo.  El colector de tubos al vacio es bueno para aplicaciones de agua a temperatura de moderada a  alta,  típicamente  de  60  a  80°  (dependiendo  la  temperatura  de  los  alrededores)  para  operar  durante el año completo y  especialmente en climas fríos, ventosos y con nieve.         

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4.‐DISEÑANDO UN COLECTOR SOLAR PLANO VIDRIADO PARA LA CIUDAD DE MÉXICO CON  PROSOLMEX‐1  4.1.‐ Observaciones: En este cuarto y último capítulo resumo la utilidad de los conocimientos  teóricos y técnicos expuestos a lo largo del presente trabajo, condensando todo en el diseño de  un colector solar a fin a las condiciones meteorológicas y de radiación de la ciudad de México,  en  donde  únicamente  por  razones  de  derechos  de  autor  me  reservaré  aquellos  valores  que  considere  dignos  de  ello.  Sin  embargo  no  por  esto  dejare  vaga  la  utilidad  y  conveniencia  de  poseer  y  seguir  desarrollando  un  programa  de  diseño,  que  aun  en  fase  de  gestación  puede  proveer valores explícitos y de mucha utilidad.  4.2.‐ Parámetros de eficiencia de un colector solar:   La energía útil obtenida por un colector solar se describe analíticamente como: 

Donde  FR  es  el  factor  de  remoción  de  calor,  valor  adimensional  que  va  desde  0  hasta  1,  y  representa la eficacia con la que se remueve el calor absorbido por la placa. Cabe destacar  que  un factor de remoción de calor igual o muy cercano a 1 se daría en aquel colector en el que la  temperatura  del  fluido  de  entrada  seria  la  misma  que  la  de  placa  absorbedora,  pues  al  removerse eficientemente el calor de ésta, no se permite que su temperatura aumenté.   El producto τα (transmitancia‐absorbancia) está en función de las cualidades de los materiales  del  colector,  específicamente  del  cristal  (en  caso  de  ser  vidriado  o  tubo  al  vacío)  y  refiere  en  este  la  propiedad  para  transmitir  la  mayor  cantidad  de  los  rayos  solares  hacia  interior  del  colector,  los  cristales  con  alto  grado  de  transmitancia  son  conocidos  comercialmente  como  “White glass” o cristal claro. Ahora bien tratándose de la placa de absorción, ésta se describe en  base a su capacidad para absorber la mayor cantidad de energía solar, condición que cumplen  con eficacia las superficies negras mate, cuyo valor de absorbancia α es cercano a los 0.9.   UL es el coeficiente total de pérdidas de calor, las cuales dependen del número de cubiertas que  tenga el colector, el aislamiento del fondo del colector, la emitancia de la placa absorbedora y  del cristal, principalmente. Se debe tomar en cuenta que la única salida para la energía que no  logra ser removida por el fluido de trabajo, es a través del incremento de la temperatura de la  placa de absorción aumentando con ello las de pérdidas de calor al exterior.  Finalmente G y ΔT son la energía solar incidente y el gradiente de temperaturas entre el fluido  de trabajo a la entrada del colector y la de los alrededores.  Por lo tanto los parámetros básicos para definir la eficiencia de un colector son: 

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Fr(τα) –  Como  representa  la  efectividad  de  la  remoción  de  calor  y  las  cualidades  ópticas  del  cristal  y  placa,  entre  mayor  sea  este  valor,  mejor  será  el  colector  en  lo  que  se  refiere  a  la  captación de energía solar.    Los valores típicos de Fr(τα) para colectores comerciales van de los 0.50 a 0.90. Donde el valor  más alto corresponde a los colectores no vidriados, los intermedios a colectores vidriados y los  menores a los tubos en vacío.  FrUL  –  Este  término  indica  la  capacidad  de  remoción  de  calor  por  medio  de  las  pérdidas  al  exterior,  por  lo  tanto,  mientras  menor  sea  este  valor,  mejor  será  el  colector  para  retener  la  energía capturada.  Los valores comunes van de los 10 a 15 (W/m2 C°), para colectores sin cristal, de 3.50 a 6 para  colectores con cristal y de 0.70 a 3 para colectores evacuados. 

 

Figura 4.1  Valores  típicos de  Fr(τα) y  FrUL  para  colectores  sin  cristal,  con  cristal  y  evacuado,  de  marcas  comercialmente  disponibles en México. 

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4.3.‐ PROSOLMEX‐1  en  el  diseño  de  un  colector  solar  plano  vidriado:  En  base  a  todos  los  factores de los que depende un mayor aprovechamiento de la energía solar, PROSOLMEX‐1 nos  proporciona valores para FR, UL, G, (ατ) y ΔT. Donde estos dependen a su vez de el material de  la placa colectora y tubos (cobre, aluminio, acero), diámetro de la tubería, espesor de la placa  colectora,  separación  entre  tubo  y  tubo,  tipo  de  cristal,  espesor  del  cristal,  espesor  del  aislamiento del fondo y caras laterales del colector, fluido de trabajo (agua, glicol, etc.), caudal y  presiones que se manejen dentro de la tubería de la placa absorbedora. 

Figura 4.2 Diseñando un colector solar plano vidriado con PROSOLMEX‐1 

 De la figura 4.2 los Valores de Fr(τα) y FrUL para un colector diseñado por PROSOLMEX‐1 son:  Fr(τα) = 0.723 x 0.952 = 0.68  FrUL = 0.952 x 6.398 = 6.09            KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA  32   


CONCLUSIONES: Lo  innovador  y  sobresaliente  no  es  propiamente  hablar  del  diseño  de  un  colector  solar  en  particular,  sino  conocer  qué  propiedades  de  los  materiales  que  lo  componen,  influyen  en  mayor  o  menor  proporción,  pues  como  es  el  caso  del  cobre,  hay  materiales  cuyo  costo  es  elevado,  y  valdría  la  pena  seleccionar  solo  aquellos  diámetros  de  tubería  y/o  espesores  óptimos, sin sobredimensionar o realizar gastos innecesarios, y mejor invertir ese capital en  partes del colector donde se obtengan mejores resultados, como es el caso de un cristal de  alta transmitancia.  A  lo  largo  de  este  trabajo  hice  hincapié  en  sustentar  teóricamente  todas  mis  afirmaciones,  pues poco o nula hubiese sido la utilidad de los análisis y resultados sin dejar claras sus bases.  Por  lo  que  espero  haber  contestado  todas  las  preguntas  y  cuestiones  que  naturalmente  en  cuanto al tema habrían de surgir, dado el carácter relativamente nuevo de investigaciones en  energía solar.  De  antemano  agradezco  la  oportunidad  que  me  brindan  para  dar  conocer  mi  trabajo  e  investigaciones,  las  cuales  corresponden  a  un  proyecto  de  tesis  mucho  más  robusto  y   extenso,  pero  cuya  finalidad  desde  su  inicio  fue  no  dejarlo  simplemente  en  papel  y  buenas  intenciones, sino darle una utilidad y continuidad, labor a la que me he dedicado desde hace  ya  dos  años  de  haber  terminado  mis  estudios,  con  la  finalidad  de  desarrollar  tecnologías  orgullosamente nacionales y sobre todo sustentadas teóricamente al 100%.           Atentamente:  Kisiev Salgado Castro.       

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APENDICE

Mapas de radiación solar para la república mexicana 


Mapas de radiación solar para la república mexicana

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PROGRAMA DE DISEÑO "PROSOLMEX"  

En este trabajo describo las funciones del programa computacional que desarrollé durante mi tesis, con el cual ya en mi etapa laboran dentro...

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