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PJ-MA-10 DISEÑO ECONÓMICO DE UN CALENTADOR SOLAR PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS).


Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
Área de participación: Medio Ambiente

Equipo: Los Fantásticos del Carol Baur

Miembros del equipo:
José Miguel Boy Moreno Boy Moreno
Daniela Saenz Niembro
Fernanda Arcos Alfaro

Asesor: Ing. Miguel Angel Torres Delgado

Escuela: Colegio Carol Baur

Resumen

Resumen

Un colector solar para agua caliente sanitaria es un dispositivo que se utiliza para recolectar y absorber energía solar para luego transferirla a un fluido, que puede ser agua o aire.

La energía solar que se utiliza para calentar agua es designada para el consumo doméstico (lavar ropa, trastes, ducharse, entre otras). Desde que se descubrió, se la ha considerado como la solución perfecta para las necesidades energéticas de todo el mundo, ya que es una fuente limpia, gratuita y se puede obtener en cualquier parte del planeta.

Existen 3 tipos de colectores solares, que tienen distintas funciones:

Paneles solares fotovoltaicos.- Es el encargado de transformar la energía procedente del sol en electricidad.

Paneles solares térmicos.- Es la que permite la transformación de la energía del sol en energía térmica, es decir, en calor. Es la que se usa para el uso sanitario (ACS = agua caliente sanitaria), creación de vapor, etc.

Paneles solares híbridos.- Es el resultado de la mezcla de un panel fotovoltaico y uno térmico. Este es reciente, aún no es muy conocido.

Los colectores solares ayudan a la ecología del planeta, ya que son equipos 100% amigables con el medio ambiente. Con el uso de un Calentador Solar ayudamos a combatir la contaminación ya que permite reducir drásticamente la emisión de dióxido de carbono, el cual es uno de los gases contaminantes más presentes en la atmósfera. Además, reduce costos en gastos de combustibles ya que a mediano plazo se recupera la inversión empleada en su construcción o compra.

FIG.1.IMAGEN QUE DEMUESTRA EL FUNCIONAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

FIG.2.COLECTOR SOLAR DE AGUA CALIENTE VIDRIO TEMPLADO PRISMÁTICO

Pregunta de Investigación

¿Cuáles son los beneficios ambientales de tener un colector solar? ¿Cuáles son los beneficios económicos a mediano plazo de tener un colector solar? ¿Por qué se debe insistir en México en que más hogares tengan un colector solar? ¿Es posible que una persona en particular pueda construir su colector solar a un menor costo?

Planteamiento del Problema

Planteamiento del problema

En la zona Metropolitana, y en particular en el Estado de México, se enfrenta una gran problemática ambiental gracias a la contaminación del aire, cuya calidad disminuye conforme la contaminación crece, además de que ahora es más difícil tener acceso al agua potable. Según el Servicio Meteorológico Nacional, algunas de las causas del exceso de contaminación en el país se debe al incremento de las temperaturas y una mayor radiación solar. Una de las consecuencias del problema de contaminación es un evidente incremento en la tasa de enfermedades respiratorias y cardiovasculares entre la población.

 

Es importante insistir en que la gran mayoría de los hogares en México tengan un colector solar, ya que estos ayudan a reducir las emisiones de gas invernadero, mejoran la calidad del aire, disminuyen la contaminación del agua, ahorra gastos innecesarios de combustibles a mediano plazo, entre otros beneficios.

 

Antecedentes

Antecedentes

Los calentadores solares han demostrado que son 100% ecológicos y que ayudan al ambiente ya que es una manera de usar las energías limpias para actividades de uso diario.

 

Los sistemas solares térmicos aprovechan la luz solar para generar calor, reduciendo así hasta un 70% la factura de calefacción. Además, la luz solar es un bien gratuito, así que una vez que la instalación del sistema solar térmico está terminado, tu gasto en calefacción y agua caliente se reducirá de manera considerable.

 

La energía solar térmica es una energía natural 100%, que no genera ningún tipo de impacto medioambiental.

 

Al utilizar energía solar térmica en lugar de carbones fósiles o gas LP, se reduce la cantidad de dióxido de carbono emitido en la atmósfera.

 

Objetivo

Objetivo

Reducir el impacto ambiental aprovechando el uso de energías limpias para actividades de uso diario, ayudando a reducir la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera y reduciendo el gasto económico en combustibles como el gas LP que a últimas fechas en nuestro país está subiendo de precio.

 

Justificación

Justificación

 

  • En México las energías renovables contribuyen con un 6-7% de la generación total de energía. En Alemania, Dinamarca, Italia, California, Texas, en varias provincias chinas y en muchos otros países la penetración de las energía renovables va del 15% al 30% sin afectar la estabilidad del sistema eléctrico. Por lo cual nosotros estamos convencidos de que en nuestro país se promuevan y se utilicen este tipo de energías. Estamos en desacuerdo que el gobierno actual privilegie el uso de combustibles fósiles generando contaminación al medio ambiente.
  • Es el exceso de oferta de combustóleo por parte de las refinerías de Pemex y la pretensión del gobierno de refinar más, lo que, además de implicar mayores pérdidas económicas, generará más combustóleo, que ya casi nadie quiere en el mundo por ser un alto contaminante.
  • La decisión del gobierno conlleva por otro lado repudiar compromisos internacionales de México (que son ley suprema de la Nación) como el Acuerdo de París en materia de cambio climático; un verdadero estigma internacional. También, implica violar ostensiblemente la legislación nacional en términos de la Ley de Transición Energética y la Ley de Cambio Climático que obligan a generar el 35% de la electricidad con fuentes renovables o limpias para el 2024.
  • El deterioro ambiental es cada vez más notorio. El efecto invernadero se ha agravado debido a la emisión de los gases. Al igual que ha habido un considerable aumento de la temperatura en todo el globo terráqueo.
  • El presente trabajo propone una idea de como hacer un colector solar de agua caliente sanitaria a bajo costo sin necesidad de comprar equipos costosos en el mercado.

FIG.3.DIAGRAMA DE AUMENTO DEL USO DE COLECTORES SOLARES PARA AGUA CALIENTE EN ESTADOS UNIDOS

FIG.4.DIAGRAMA DEL AUMENTO DEL USO DE ENERGÍAS LIMPIAS A TRAVÉS DE 1994 A 2006

Hipótesis

Hipotesis

 

Si se seleccionan las propiedades adecuadas y los materiales adecuados entonces se puede diseñar un calentador solar para agua caliente sanitaria económico y disminuir el consumo de gas LP..

 

Método (materiales y procedimiento)

Procedimiento

Teniendo en cuenta que es necesario que en México se reduzca el consumo de combustibles que generan contaminantes, nosotros nos hemos dado a la tarea de proponer la construcción de un colector solar para agua caliente sanitaria que por un lado se pueda construir a bajo costo y, que por otro lado, la construcción pueda ser poco a poco para las personas de escasos recursos. El colector consta de un banco de 11 tubos de ½” que pueden ser cobre o CPVC con 2 cabezales de ¾”, una válvula check de ¾”, un contenedor de lámina galvanizada de 1.20×1.20 m con saques en las esquinas de 10×10 cm y un metro cuadrado de vidrio templado de 6 mm, fibra de vidrio y, en el caso de los tubos de CPVC, recubiertos con pintura negra mate. Considerando también sus respectivas conexiones; 22 “tes” de ¾” a ½” para conectar los tubos de cobre o CPVC. Si se decide utilizar tubo de cobre, este deberá soldarse con soldadura de estaño; si se utiliza CPVC entonces deberá usarse el pegamento adecuado.

 

La lámina se debe doblar exactamente en los saques de 10×10 para dejar una caja de 1 metro cuadrado. Por el interior y casi al borde de la misma, se equipará con una tira de madera de 2 cm x 3 cm atornillada, dejando solamente por la parte superior el espesor del vidrio templado (6 mm). Desde luego esto debe estar sellado con silicón transparente para evitar la humedad y favorecer el efecto invernadero dentro del colector y calentar así el agua. Claro que, antes de colocar el vidrio y sellar, debe estar dentro del colector (caja de lámina galvanizada) la fibra de vidrio en todo el contorno de su interior como aislante térmico y debe estar colocado sobre ella el banco de tubos para después colocar el vidrio y sellar, como se muestra en la figura.

FIG.5.DISEÑO DE COLECTOR SOLAR PARA AGUA SANITARIA

Funcionamiento:

Los rayos solares de alta frecuencia llegan al colector, atraviesan el vidrio y, cuando llega al banco de tubos, estos rayos producen radiaciones de baja frecuencia (infrarrojas) que ya no atraviesan el vidrio, quedando atrapadas dentro del colector, produciendo así un efecto invernadero que favorecerá el calentamiento del agua que se encuentra dentro del banco de tubos. Al disminuir la densidad del agua en el banco de tubos, ascenderá al acumulador mientras que el agua fría del acumulador descenderá al colector, generando así un flujo en termosifón que aumentará la temperatura del agua del orden a 50º centígrados aproximadamente. Por lo cual, a la salida del colector debe haber una válvula check, para evitar un contraflujo cuando ya no haya sol. El acumulador debe ser un recipiente totalmente recubierto con aislante de fibra de vidrio. Una solución práctica es construirlo con un tubo sumamente grande de CPVC en un arreglo vertical. Además, de acuerdo a las especificaciones técnicas del consumo de agua por persona, cada miembro de la familia tiene una necesidad de agua caliente sanitaria de 20 litros al día para su higiene personal y uso doméstico.

El calentador solar propuesto maneja un volumen de agua caliente al día de aproximadamente 150 litros diarios.

22 tes de ¾” a ½” $700
Tubo cobre 3/4 pulgadas $233.2
2 Tramos de tubo de cobre ½” cortados en trozos de 1 m $700
1 m cuadrado de lámina galvanizada  (1.20×1.20) (con la opción de hacerlo con madera) Con saques en las esquinas de 10cmx10cm $265.1
Fibra de vidrio $115 el kilo
2 Cabezales de tubo de cobre de  ¾” y un metro de longitud. $350
1 m cuadrado de vidrio templado de 6 mm $1100
TOTAL aproximado tubos de cobre $3,463.3

FIG.6. ARREGLO CON ALIMENTACIÓN DE AGUA DESDE UNA CISTERNA O ROTOPLAST.

 Cálculos

FIG.7.HOJA DE CALCULO 1

FIG.8.HOJA DE CÁLCULO 2

FIG.9.COLECTOR SOLAR MAXOL CUBIERTA DE VIDRIO TEMPLADO

Galería Método

Resultados

Resultados

 

El cobre es un material más eficiente, ya que alcanza fácilmente las temperaturas de 50º centígrados.

 

En el CPVC el rendimiento es menor y las temperaturas alcanzadas están del orden de 40º a 45º centígrados.

 

En el peor de los casos, en el que el día estuviera nublado, calentaría solamente 150 litros de agua.

 

Cómo funcionará permanentemente el colector, gracias al termosifón, puede que el primer día cueste un poco de trabajo; sin embargo, luego tendrá un buen funcionamiento. El acumulador deberá tener una capacidad de 2.5 para calentar 400 l.

 

El colector, una vez funcionando, el agua de alimentación estará a una temperatura mayor de 20º porque estaría guardando agua caliente durante la noche.

Galería Resultados

Discusión

Discusión

 

Hacer un colector solar es bastante económico; puede llegar a ser más económico dependiendo de los materiales que se utilicen según su calidad y sus necesidades. Con la ventaja de que se puede ir construyendo poco a poco sin representar una carga económica en un momento dado.

 

Hacer un colector solar con tubos de cobre es un 50% más caro que hacerlo con tubos de CPVC. Esto se debe a que el cobre es un material más eficiente y con mucha más resistencia que los tubos CPVC. Mientras que los tubos de cobre pueden alcanzar temperaturas de 50º centígrados, los tubos de CPVC tan sólo pueden alcanzar temperaturas de 40 a 45 ºC.

 

Lo anterior no significa que los tubos de CPVC no sean eficientes, el material con el que se va a construir el colector solar también depende de las necesidades e intereses de la familia o de la casa.

Conclusiones

Conclusiones

 

Es importante que la gran mayoría de las casas en México tengan un colector solar para el ahorro de agua y que se disminuyan los gases invernadero y contaminantes lo más posible.

 

Nosotros hemos dado una propuesta de cómo construir un colector solar bastante económico. Al igual que dimos opciones para familias de escasos recursos y de altos recursos; es por eso que vimos las dos opciones de tubos de cobre y tubos de CPVC.

 

Ambos son bastantes eficientes sin importar que las temperaturas que alcancen puedan ser diferentes, ya que una persona promedio se baña con agua de temperatura de 37 a 38.5 °C, por lo que cualquier tipo de las dos opciones anteriores de tubo son bastante eficientes y son capaces de calentar perfectamente el agua para el uso de una familia promedio en México de 3 a 5 integrantes.

 

Es importante añadir que, para un mejor aprovechamiento del colector solar para el calentamiento de agua sanitaria, también es esencial implementar el uso de llaves de agua ahorradoras como son las que existen hoy en día. Tema aparte es el acumulador que almacena el agua caliente; pero debe ser de una capacidad de 160 litros,  recubierto con fibra de vidrio 2.5 cm y después una cubierta metálica. Su forma básicamente cilíndrica.

URL DEL VIDEO EN YOUTUBE   https://youtu.be/OXsK51xmKCo

NOMBRE DEL VIDEO:  PJ-MA-10 DISEÑO ECONÓMICO DE UN CALENTADOR SOLAR PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS).

Bibliografía

Bibliografía :

Anónimo. (2020). Cómo calentar una vivienda con energía solar térmica. 04/05/2021, de Eco Inventos Sitio web: https://ecoinventos.com/como-calentar-una-vivienda-con-energia-solar-termica/

URL DEL VIDEO EN YOUTUBE   https://youtu.be/OXsK51xmKCo

NOMBRE DEL VIDEO:  PJ-MA-10 DISEÑO ECONÓMICO DE UN CALENTADOR SOLAR PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS).



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Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography