miércoles, 30 de noviembre de 2011
sábado, 26 de noviembre de 2011
CAPTADORES SOLARES DE BAJO COSTE PARA USOS AGRICOLAS
Realizado por:
Jesús Yanes Figueroa
José Luis Vilches Rebalo
Ricardo Alés Novelles
1. Introducción
El proyecto que hemos realizado tiene por objeto la búsqueda de métodos que nos permitan construir captadores solares capaces de calentar una cantidad considerable de agua para uso agronómico a un bajo coste.
El proyecto tiene entonces dos objetivos principales
1. Fomentar promover e incentivar el uso de las energías renovables en aquellos lugares en los que existen pocos recursos y de esta manera insertar las nuevas tecnologías en el campo, de forma que se obtenga un mejor y mayor desarrollo rural en consonancia con el medio ambiente.
2. Desarrollar sistemas que con muy poca inversión puedan tener una gran rentabilidad y rendimiento de manera que la retribución por incorporar estos sistemas sea positiva y con ello sea mayor su difusión.
2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN CAPTADOR SOLAR PLANO.
La energía solar térmica de baja temperatura consiste en el aprovechamiento de la radiación proveniente del sol para el calentamiento de fluidos a temperaturas normalmente inferiores a 80ºC. Se pretende de esta forma obtener a partir del sol una fuente de energía térmica utilizable en distintas aplicaciones. Esto se suele llevar a cabo con los llamados calentadores solares que se aprovechan de las cualidades de absorción de los materiales que los componen así como los fenómenos de convección e irradiación.
El principio básico de funcionamiento no es más que exponer una placa metálica al sol, que se calienta, pero si además esta placa es negra, la energía radiante del sol absorbida aún es mayor. Se acentúa todavía más este fenómeno por medio del “efecto invernadero” que se produce cuando un vidrio transparente a la radiación de onda corta se coloca sobre la superficie de absorción, el cual impide que la radiación de onda larga (infrarroja) escape al medio exterior debido a la opacidad que presenta ante este tipo de radiación.
Un sistema de energía solar térmica está compuesto por un conjunto de componentes que trabajan de forma aislada pero que en su conjunto determinan el sistema, digamos pues que se trata de sistemas interdependientes conectados entre sí. Los componentes son:
a) El sistema de captación: El captador solar plano.
b) El sistema de acumulación: Depósito donde se acumula el agua caliente generada.
c) El sistema hidráulico: Distintos elementos que relacionan o conectas los distintos componentes del sistema, como son bombas, tuberías etc. Y por donde circula el fluido de trabajo.
d) El sistema de intercambio: En el caso en el que el fluido que se calienta en los paneles solares no sea el mismo que el que se utiliza. Se da en casos de riesgo de heladas o bien en caso de que el fluido a utilizar pueda dañar la instalación.
e) El sistema de control: En caso de utilización de mecanismos de bombeo para la impulsión del fluido, se requiere de un sistema de control que los regule.
f) El sistema de energía auxiliar: Hay ocasiones en los que los requerimientos energéticos son mayores que los que nos puede suministrar la instalación, ya que se trata en todo momento de un sistema fuertemente dependiente de las condiciones climáticas del momento. Por ello, es necesario disponer en la misma instalación de un sistema auxiliar de energía que nos proporcione los requerimientos energéticos.
El captador solar plano, o también los llamados paneles solares planos están constituidos por:
1-. Cubierta: Se trata de un elemento transparente a la radiación solar y opaco a la radiación infrarroja que emite el absorbedor favoreciendo con ello la aparición del efecto invernadero que hace aumentar de forma considerable el rendimiento del captador. La cubierta también nos permite reducir las pérdidas por conducción y convección con el medio exterior. Si colocamos varias cubiertas transparentes conseguimos reducir aún más las pérdidas pero con el enorme inconveniente que es el considerable aumento de los costes económicos.
2-. Absorbedor: Es el elemento donde se produce la transformación de la energía que llega por radiación del sol en energía térmica que absorbe el fluido. Generalmente el absorbedor está compuesto por unos tubos o placas de metal expuestos a la radiación solar por cuyo interior pasa el fluido. Éstos, suelen ser de materiales con una alta absorbancia, o bien son tratados con pinturas negras especiales que favorezcan la absorción de radiación de onda corta y una baja emisividad en longitudes de onda larga.
3-. Aislamiento: Para reducir las pérdidas térmicas del captador es conveniente aislar las zonas del captador no expuestas al sol, como son los laterales o bien la parte posterior. Un buen aislamiento permite reducir considerablemente las pérdidas y así aumentar el rendimiento de transformación energética.
4-. Junta de cubierta: Es un elemento de material elástico cuya función es asegurar la estanqueidad de la unión entre la cubierta y la carcasa. Servirá a su vez para absorber los movimientos de las dilataciones de los distintos elementos del panel y así evitar cualquier rotura.
5-. Carcasa: Es el elemento que sirve para conformar el captador fijando las cubiertas a los otros componentes. Contiene y protege a los restantes elementos del captador, favoreciendo con ello el anclaje de todo el sistema.
El rendimiento de un captador solar plano no es más que la relación entre la energía útil que se obtiene de un captador y la radiación solar total ( I) que incide sobre la superficie del mismo.
Rto = Qutil / I*A
Qutil es la diferencia entre la energía absorbida por la placa y la energía perdida.
Qutil = Qabs – Qper
Rto = (Qabs – Qper)/ I*A = a – b ( Te – Ta).
4. Equipos de medida utilizados en los ensayos.
a) Registros de temperatura y humedad.
Los registros que se han tomado están comprendidos entre los días 16-21 de enero del 2004.
Viernes 16 | Sábado 17 | Domingo 18 | Lunes 19 | Martes 20 | Miércoles 21 | |
T máx. | 16ºC | 17 ºC | 16 ºC | 13 ºC | 14 ºC | 15 ºC |
T min. | 11ºC | 9 ºC | 5 ºC | 3 ºC | - 1 ºC | 0 ºC |
Hr max. | 95 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % |
Hr min. | 85 % | 65 % | 30 % | 35 % | 33 % | 45 % |
i. Descripción:
- Termógrafo: se utiliza para medir la evolución periódica de la temperatura y nos lo representa en una gráfica. Consta de un sensor que reconoce cambios de temperatura, esta conectado a un brazo que oscila de arriba hacia abajo. Dicho brazo finaliza en una plumilla. En el lado izquierdo tenemos un rodillo unido a este un papel tabulado (suele estarlo por semanas). Obtenemos valles (mínimos) y picos (máximos).
- Higrógrafo: se utiliza para medir la humedad relativa a lo largo de un periodo de tiempo. Aparece reflejada en una gráfica. Consta de un sensor (derecha), un brazo con una plumilla y sobre un eje rotatorio.
- Termo higrógrafo: (unión de termógrafo y higrógrafo)Las medidas del termógrafo se recogen en la parte superior del papel tabulado, mientras que las del higrógrafo se toman en la inferior. Ambas plumillas están protegidas por una casetilla, la cual va dentro del abrigo o garita situado a 15 metros del lugar donde se realiza el ensayo.
ii. Ejercicio de calibración
Para la calibración del termo higrógrafo se anularon las plumillas, se cambió el papel, colocando uno nuevo y poniendo dichas plumillas en el día y hora correspondiente que comenzaba la medición.
b) Piro heliógrafo.
i. Descripción.
Medimos la insolación que es el número de horas de un día. Se mide con el heliógrafo ( Cambell-Stok). Este consta de una esfera transparente ( de diámetro 10-20 cm) que actúa como una lupa concentrando los rayos del sol y quemando una cartulina tabulada, como adjuntaremos en el anexo.
ii. Emplazamiento.
La insolación la medimos fuera de la garita o abrigo. Nuestro aparato esta situado en la azotea de la EUITA.
iii. Determinación del cociente n/N.
Este cociente es la fracción de insolación. (n: número de horas reales de sol, N: número de horas teóricas de sol). De los días 16,17,18 no tenemos medidas.
- 19 Enero 2004
N = 2* Wo = 2 * 73.77 = 147.55, N = 9.84 horas
Cos Wo = - tag l * tag ds = 0.28, Wo = 73.77
ds = 23.45 sen (360 * (284 + n / 365)) = - 20.34
n = 9 horas, n/N = 0.91
- 20 Enero 2004
N = 2* Wo = 2 * 73.77 = 147.55, N = 9.84 horas
Cos Wo = - tag l * tag ds = 0.28, Wo = 73.77
ds = 23.45 sen (360 * (284 + n / 365)) = - 20.34
n = 8.5 horas, n/N = 0.86
- 21 Enero 2004
N = 2* Wo = 2 * 73.77 = 147.55, N = 9.84 horas
Cos Wo = - tag l * tag ds = 0.28, Wo = 73.77
ds = 23.45 sen (360 * (284 + n / 365)) = - 20.34
n = 8 horas, n/N = 0.81
c) Registro de la radiación solar.
Los datos han sido tomados de las estaciones que tiene situado el INM en La Rinconada y Los Palacios y Villafranca. Debido a la diferencia entre ambas, hacemos la media de los datos:
Viernes 16 | Sábado 17 | Domingo 18 | Lunes 19 | Martes 20 | Miércoles 21 | |
La Rinconada | 5.2 | 10.6 | 11.4 | 11.5 | 10.6 | 10.8 |
Los Palacios | 4.3 | 10 | 12.1 | 12.3 | 11.8 | 11.7 |
Media (MJ/m2) | 4.8 | 10.3 | 11.8 | 11.9 | 11.2 | 11.3 |
d) Banco hidráulico para ensayos de mangas.
Es donde se hacían los ensayos de las mangas, que consistían en determinar el caudal que estas soportaban a una cierta presión. Comprobando la resistencia de los plásticos, el caudal que entraba en la manga.... las mangas se llenaban con un bidón situado en el banco 1 m de altura. Las dimensiones de este son: 1,10 x 2.5 x 0,01m.
Temperatura-Humedad (ºC-%). Datos del termo-higrógrafo.
5. Captador de balsa.
a) Descripción del sistema.
El sistema usado para este ensayo ha sido la construcción de dos balsas (prototipo A y prototipo B). Estas balsas están a nivel del suelo y cuyas dimensiones son:
2 x 2 x 0.15 m.
Ambas balsas están aisladas del suelo por un plástico de uso agrícola de color negro (ver punto 3), para evitar la transferencia de frío-calor del suelo al agua o viceversa. Además, para optimizar la captación de energía solar, están recubiertas por dos estructuras formadas por un esqueleto metálico y plástico traslucido. Estas cubiertas se diferencian en su disposición; una interior de forma llana y otra exterior en forma de bóveda. La disposición de estas dos cubiertas hace que obtengamos una cámara de aire que nos aísla el agua del exterior y minimiza las pérdidas de energía.
La única diferencia entre el prototipo A y B en que el primero además del plástico negro lleva un aislante de construcción como es el poliestileno expandido ( placas de corcho blanco) lo que nos permite mayor aislamiento suelo-agua.
b) Principales problemas encontrados y soluciones aportadas.
El primer problema fue la limpieza del lugar (retirada de plásticos). Posteriormente procedimos a la apertura del hoyo, con el problema del material (pala oxidada, azadas en muy mal estado...lo que nos encontramos). Una vez abierto el hoyo se añadió el problema de la lluvia y la caída de tierra de los bordes, para lo cual cubrimos el hoyo con plásticos y colocamos azulejos en dichos bordes. Los días soleados dejábamos el hoyo descubierto para que se secase debido a la pequeña infiltración del agua. Otra solución a esta infiltración fue el sellado de los plásticos añadiendo tierra, losetas....
c) Discusión de la ratio Volumen/Superficie.
Nuestra balsa tiene una superficie de 4m2 conteniendo un volumen de 200 l, se ha elegido estas dimensiones queriendo maximizar el volumen de agua pero teniendo en cuenta las limitaciones de la zona elegida (una esquina del campo de prácticas), y que un incremento de volumen en estas condiciones supondría una mayor altura del hueco, que a su vez supondría mayor perdida de calor por irradiación.
d) Registros de temperatura en captador y exterior.
- Temperatura en captador:
Viernes 16 | Sábado 17 | Domingo 18 | Lunes 19 | Martes 20 | Miércoles 21 | ||
Captador A | Tªmáx. | 27 | 27 | 26 | 26 | 26 | 27 |
(aislado) | Tª min. | 19 | 19 | 18 | 18 | 17 | 17 |
Captador B | Tªmáx. | 26 | 29 | 28 | 27 | 26 | 27 |
(no aislado) | Tª min. | 15 | 15 | 14 | 14 | 14 | 14 |
- Temperatura en exterior: mirar punto 4.
e) Conclusiones de los ensayos.
Hemos observado en el ensayo que la temperatura que se alcaza en los dos captadores tiene valores semejantes, alrededor de los 27 ºC como máxima. Sin embargo en las temperaturas mínimas que se han registrado en los captadores si hemos notado diferencia concluyendo que en el captador aislado las pérdidas de energía son menores.
7. análisis de resultados y conclusiones
a) El estudio comparativo de los dos prototipos no se puede realizar debido a que el proyecto del captador de mangas de P.E.(polietileno) no se llegó a terminar.
b) Unos 420 W por metro cuadrado en invierno con una capacidad de fluido de 5 litros (cifra aproximada, ya que no hemos encontrado pocos datos de catálogos comerciales).
c) La estimación de coste en la fase de la implantación de la tecnología en cuestión de materiales es puramente simbólica ya que sería de unos 10 euros, incluyendo plástico negro impermeable, aislante poliespan y puntos de fijación(losetas). Lo que realmente supondría un coste sería la mano de obra para la construcción del captador.
d) Como principales problemas ante la ejecución del proyecto podemos destacar:
-debido al espacio disponible en el campo de prácticas tuvimos dificultades a la hora de su orientación al sur.
-la impermeabilización del espacio objeto del experimento, ya que al principio se producían derrumbamientos en las tierras circundantes.
-el sellado del espacio objeto del experimento, ya que durante el transcurso de su construcción entraba agua de lluvia.
-las malas condiciones climatológicas. Las constantes lluvias, el fango y las bajas temperaturas resultaron incomodas para el trabajo (difícil movimiento de tierras, limpieza de plásticos ensuciados, etc...)
e) La conclusión que finalmente podemos destacar es que los objetivos mencionados en la introducción se han cumplido. Teniendo en cuenta los medios y la nula inversión, hemos conseguido alcanzar unos resultados más que aceptables con diferencias de 20 grados, en las temperaturas mínimas, entre el interior y el exterior del captador en días nublados.
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