Resumen

Este proyecto aborda la carencia de métodos eco amigables y asequibles para calentar agua en hogares mexicanos, destacando el impacto negativo de las alternativas convencionales en la salud y el medio ambiente. Se propone la creación de un prototipo de calentador solar eficiente y funcional, priorizando materiales reciclados. Los antecedentes resaltan la importancia de los materiales sostenibles y la energía solar térmica. Se describen los principios y tecnologías de los calentadores solares, subrayando la diversidad de métodos de captación solar. Se comparan ventajas y desventajas de distintas tecnologías de calefacción de agua.

 

El objetivo general es la creación del prototipo, con metas específicas como desarrollar un diseño eficiente, construir el dispositivo y evaluar su viabilidad. Se enlazan estos objetivos con los Objetivos de Desarrollo Sostenible. La justificación destaca la necesidad de abordar el problema desde una perspectiva sostenible. La hipótesis plantea que la reutilización de materiales ecológicos puede ofrecer una alternativa de bajo impacto ambiental.

 

El método detalla el proceso de diseño y construcción del prototipo, utilizando madera reciclada, tubos PVC, latas, tela reciclada, botellas PET y pintura negra. Las pruebas confirman la eficiencia del calentador, pero se señala la necesidad de evaluar la viabilidad a largo plazo. En las conclusiones, se destaca la eficacia del prototipo y su diseño eco amigable, subrayando la importancia de la orientación, posición y materiales reciclados. Se concluye con un llamado a evaluar la viabilidad económica a largo plazo.

Pregunta de Investigación

De acuerdo con el Consejo Nacional de Evaluación de Política de Desarrollo Social (Coneval) cerca de 48 millones de familias en México no cuentan con infraestructura para calentar agua en sus hogares, lo que afecta su condición de vida. Las consecuencias negativas en la higiene personal, la limpieza y otras actividades cotidianas contribuyen a la propagación de enfermedades y provocan riesgos para la salud. (1) Además, la falta de infraestructura para calentar agua promueve el uso de métodos convencionales que generan contaminación. Por ejemplo, el uso de gas o de combustibles sólidos como la leña o el carbón liberan dióxido de carbono (CO2) y dióxido de nitrógeno (NO2) que son sustancias que participan en la contaminación del aire, afectando la salud respiratoria de los habitantes y contribuyendo al deterioro del medio ambiente. (2)

Planteamiento del Problema

Conociendo ya datos oficiales, es importante abordar el problema de la falta de métodos eco amigables para calentar agua, considerando tanto sus implicaciones en la salud de la población como los impactos ambientales derivados de los métodos convencionales de calefacción. La búsqueda de soluciones eficientes y sostenibles es esencial para mejorar las condiciones de vida de millones de personas y promover un desarrollo social equitativo y saludable en el país.

Antecedentes

Materiales sostenibles.

Los materiales sostenibles se definen como aquellos que generan un menor impacto ambiental en el medio ambiente. En términos generales, estos materiales provienen de la naturaleza, se elaboran a partir de recursos renovables o reciclados, y poseen durabilidad. Se caracterizan por (5):

• Proceder de recursos renovables
• Utilizar eficientemente recursos no renovables y tener una baja energía embebida.
• Ser reutilizados o derivar de materiales reciclados.
• Presentar bajas emisiones tóxicas a lo largo de su ciclo de vida.
• Ser duraderos, versátiles y flexibles durante su uso.
• Ser reciclables o reutilizables al llegar al final de su vida útil.

Energía solar térmica

La energía renovable es aquella que se obtiene a partir de fuentes naturales prácticamente inagotables, ya sea debido a la inmensa cantidad de energía que poseen o a su capacidad de regenerarse mediante procesos naturales. Un ejemplo de esto es la energía solar térmica, también conocida como termo solar, la cual aprovecha la energía de los rayos del sol para generar calor de manera limpia y respetuosa con el medio ambiente. A diferencia de otras tecnologías, donde la energía debe consumirse en el momento de su generación, la solar térmica es una tecnología renovable que cuenta con capacidad de almacenamiento. (3)

Principios del calentador solar.

Un calentador solar es un aparato cuyo fin es convertir la energía solar en calor, transmitiéndola a diferentes fluidos como agua, alcohol, aceite o aire.  El colector solar cuenta con una superficie obscura diseñada para absorber el calor de los rayos solares y transferirlo al agua que fluye a través de su interior, conduciéndolo luego al termo tanque donde se almacena para su uso posterior.

Este dispositivo se instala preferiblemente en el techo o en áreas con una exposición solar adecuada, en el caso de México orientándose hacia el sur geográfico y con una inclinación de aproximadamente 23° para aprovechar al máximo la radiación solar (4).

Tecnologías de captación solar.

Existen diversas tecnologías de captación solar, cada una con sus propias características: (6)

1. Colector Solar de Aire (SAC): Simple en construcción y uso, de bajo costo. Consiste en una superficie de absorción que, al recibir radiación solar, transmite calor al aire, siendo esencial para sistemas de calentamiento solar.
2. Colector de Placa Plana (FPC): Se divide en dos tipos, con superficie de absorción descubierta y cubierta. Los primeros son simples y económicos, aunque con pérdidas ópticas mínimas. Los segundos, al incorporar cubiertas, mejoran la eficiencia al reducir las pérdidas convección y proteger los elementos debajo.
3. Colector Estático de Parábola Compuesta (CPC): También conocido como colector de Winston, utiliza espejos parabólicos para calentar el fluido a alta temperatura. Puede ser de curvatura simple o compuesta, destacándose por su alta concentración para un ángulo de aceptación dado.
4. Colector de Tubo de Vacío (CTV): Formado por hileras de tubos de vidrio transparente, cada uno contiene un tubo de absorción recubierto con pintura selectiva. La creación de vacío entre los tubos minimiza las pérdidas de calor por conducción y convección, haciéndolo eficiente en la captación solar.

Métodos de calefacción de agua.

Tecnología de calefacción de agua	Ventajas	Desventajas
Carbón	El carbón mineral es abundante en el mundo y económico en comparación con otras fuentes de energía. (7)	Partículas de polvo dañinas para la salud con la capacidad de viajar largas distancias (10)
Electricidad	Fácil mantenimiento y control. (8)	Las centrales térmicas y otros sistemas de generación de electricidad librean SO2, NOx. (11)
Gas	Energía eficiente y cómoda. (9)	200 a 300 Kg de Co2 al año por familia de 4 a 5 personas. (12)

 

Objetivo

Objetivo General

• Crear un prototipo de calentador solar de agua eficiente y funcional, priorizando el uso de materiales reciclados disponibles localmente.

Objetivos Específicos

• Desarrollar un diseño detallado que sea eficiente y funcional, incorporando en la medida de lo posible materiales reciclados.
• Construir el prototipo de calentador solar conforme a las especificaciones de diseño.
• Evaluar la viabilidad costo beneficio del prototipo, considerando tanto los costos de construcción como los beneficios esperados.

Objetivos de Desarrollo sostenible

• Salud y bienestar
• Energía asequible y no contaminante
• Industria, innovación e infraestructura
• Reducción de las desigualdades
• Ciudades y comunidades sostenibles
• Producción y consumo responsable

Justificación

Frente a la problemática existente relacionada con la carencia de métodos eco amigables y asequibles para calentar agua, así como la consiguiente contaminación ambiental originada por las alternativas convencionales, es evidente el impacto negativo que estas prácticas generan en el entorno. Por ello, se propone abordar este problema desde un enfoque que fomente la adopción de métodos sostenibles para el calentamiento de agua, con el objetivo de contribuir a la preservación del medio ambiente y a la construcción de un futuro más ecológico.

Hipótesis

La reutilización de materiales ecológicos, como el plástico y las latas, en la construcción de calentadores solares puede ofrecer una alternativa sostenible y de bajo impacto ambiental. La incorporación de estos materiales en la fabricación de colectores solares no solo contribuirá a la reducción de residuos, sino que también resultará en un dispositivo eficiente y accesible, promoviendo así el uso generalizado de energía solar para calentar agua de manera eco amigable.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales

 

• Madera reciclada de muebles
• Tubo PVC de ½”
• Tubo PVC de 6”
• Latas grandes
• Trozos de tela reciclada
• Bote de basura con tapa
• Latas de aluminio vacías
• Botellas PET
• Pintura negra
• Cemento para PVC

 

Método

 

1. Diseño

 

Se realizó un boceto del prototipo centrado en representar de manera visual los elementos clave para su funcionamiento eficiente, tomando en cuenta la orientación y superficie especial para la absorción del calor solar. Se prestó especial atención a la disposición del termo tanque y la interconexión de los tubos de PVC, resaltando cómo el flujo natural del agua caliente hacia la parte superior garantiza un suministro constante.

 

2. Preparación de la estructura.

 

Se utilizó madera reciclada de muebles en desuso para construir la estructura base del calentador solar, asegurando que fuera resistente y estable, posteriormente se usaron tubos PVC para darle la inclinación requerida.

 

3. Creación de los canales conductores

 

Se cortaron tubos PVC de ½” en secciones adecuadas y se configuró para formar canales a través de los cuales se conduce el agua.

 

4. Montaje del termo tanque

 

Se ensambló el termo tanque utilizando el tubo PVC de 6” como base y se recubrió con latas grandes, se añadieron trozos de tela entre las latas y el tubo para conservar el calor.

 

5. Ensamblaje del contenedor de agua

 

Se utilizó un bote de basura con tapa como contenedor principal para el agua que alimenta el calentador.

 

6. Construcción de base reflectora.

 

Se lavaron y cortaron las latas de refresco vacías y se organizaron de manera que formen una base reflectora, esto ayudará a dirigir la luz solar hacia los tubos.

 

7. Pintado de tubos.

 

Se pintaron los tubos de PVC de negro, con la intención de maximizar la absorción de calor solar.

 

8. Montaje final.

 

Se ensamblaron todos los componentes, colocando los tubos pintados en el centro de la base reflectora y cubriéndolos con las botellas de plástico de PET para crear un efecto invernadero.

 

9. Pruebas y ajustes

 

Se realizaron pruebas para asegurar que el calentador solar funcione correctamente, ajustando la orientación y la posición de los componentes conforme fue necesario para obtener un buen resultado.

 

Galería Método

Resultados

Galería Resultados

Discusión

El prototipo de calentador solar diseñado y construido utilizando materiales reciclados demostró ser eficiente en la captación y almacenamiento de la energía solar. La estructura de madera reciclada proporcionó la resistencia necesaria, mientras que el tubo PVC, recubiertos con latas y trozos de tela, formaron un termo tanque capaz de retener el calor de manera efectiva.

 

La base reflectora, compuesta por latas de refresco vacías, dirigió la luz solar hacia los tubos pintados de negro, maximizando la absorción de calor. Las botellas de plástico de PET actuaron como un efecto invernadero, manteniendo el calor atrapado alrededor de los tubos y mejorando la eficiencia del sistema.

 

Durante las pruebas el calentador solar demostró ser capaz de elevar la temperatura del agua de manera significativa, cumpliendo con el objetivo de proporcionar una fuente de agua caliente de manera sostenible. Se observó que el sistema es eficaz en condiciones de exposición solar óptimas.

Conclusiones

El uso de materiales reciclados en la construcción del calentador solar constituyó un diseño robusto y funcional para el prototipo además de ser una opción eco amigable viable y eficiente.

 

La orientación y posición adecuadas, la base reflectora y el efecto invernadero creado por las botellas de plástico contribuyeron a la eficiencia del sistema, sin embargo, la viabilidad costo-beneficio deberá ser evaluada a largo plazo considerando factores como el mantenimiento y la durabilidad de los materiales.

Bibliografía

 

• Consejo Nacional de Evaluación de la Política de Desarrollo Social. (10 de agosto del 2023). El CONEVAL presenta las estimaciones de pobreza multidimensional 2022. https://www.coneval.org.mx/SalaPrensa/Comunicadosprensa/Documents/2023/Comunicado_07_Medicion_Pobreza_2022.pdf
• Henry Oswaldo Benavides, Ballesteros Gloria Esperanza León Aristizabla. (Diciembre 2007). Información técnica sobre gases de efecto invernadero y el cambio climático. http://www.ideam.gov.co/documents/21021/21138/Gases+de+Efecto+Invernadero+y+el+Cambio+Climatico.pdf
• , C. S. J. (s/f). Definición e Información de Energías Renovables [Escuela de Estudios de Postgrado]. http://www.repositorio.usac.edu.gt/4455/1/DEFINICION%20E%20INFORMACION%20DE%20ENERGIAS%20RENOVABLES.pdf
• Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía. (20 de marzo de 2014). Calentamiento solar de agua. https://www.gob.mx/conuee/acciones-y-programas/calentamiento-solar-de-agua-funcionamiento?state=published#:~:text=El%20funcionamiento&text=El%20colector%20solar%20tiene%20una,almacena%20para%20su%20disposici%C3%B3n%20final
• España-Portugal, I. (s/f). Guía para la selección de materiales de construcción sostenible. http://www.degren.eu/wp-content/uploads/2020/05/DEGREN-SMCS.pdf
• Moreno, M. H. (s/f). Tecnologías de captación solar para aplicaciones de refrigeración solar. En Producción de Frío a partir de Energía Solar (pp. 139–144). https://biblus.us.es/bibing/proyectos/abreproy/70166/fichero/Archivo_Cap%C3%ADtulo+5.pdf
• Organización Mundial de la Salud (OMS), (2014). Quema de combustibles en los hogares. https://www3.paho.org/hq/dmdocuments/2016/HAP-ExecSumm-Sp.pdf
• (s/f). Planes de mantenimiento de instalación. https://www.bizkaia.eus/kultura/kirolak/pdf/mante.instala.modulo1.pdf?hash=f0d29d1de1a9399fbaefc1ecc3d608bf
• Vidal, R. C. (2015). Análisis de costo beneficio de la calefacción distrital en la zona central de Chile [Universidad de concepción]. https://www.scielo.org.mx/pdf/rica/v32n1/0188-4999-rica-32-01-00035.pdf
• Rivas, M. C. F. (ciembre 2005). Asbesto. Un peligro latente para la salud. Revista del Centro de , 7(25), 91–108. https://www.redalyc.org/pdf/342/34202507.pdf
• Miller, P. J. (2004). Emisiones atmosféricas de las centrales eléctricas de América del Norte. http://www.cec.org/files/documents/publications/2165-north-american-power-plant-air-emissions-es.pdf
• De cambio climático, O. C. (s/f). Guía práctica para el cálculo de gases de emisiones de gases de efecto invernadero. https://www.caib.es/sacmicrofront/archivopub.do?ctrl=MCRST234ZI97531&id=97531

 

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography