INSTITUCIÓN EDUCATIVA PRIVADA INGENIERÍA
XVIII FERIA INTERNA DE CIENCIA, TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN
“CONSTRUCCIÓN DE UNA TERMA SOLAR CASERA” INTEGRANTES Apellidos y Nombres
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RESUMEN En la presente investigación se determinó la eficiencia y aumento de temperatura de una terma solar construida con materiales de fácil obtención en la ciudad de Trujillo, ubicada a 33 msnm y temperatura ambiente promedio de 20ºC. El tanque de almacenamiento de agua caliente tuvo un volumen de trabajo de 70 litros. La evaluación se realizó en los meses de Julio a Agosto del 2017; la temperatura del agua inicial fue de 17 ºC entre los días soleados, combinados y nublados. La terma solar empleó la radiación solar directa, originando una variación de 28 ºC en el agua, con lo que se suministra al usuario agua a una temperatura adecuada para el aseo personal u otros usos. Concluyendo que el aumento de la temperatura llegó a 45º C en su punto máximo después de utilizar la terma solar.
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Realidad Problemática En la actualidad el cambio climático que afecta a nuestro planeta conlleva a utilizar fuentes de energía renovable, éstas son las que se producen de forma continua y son inagotables. El sol es una estrella que origina mucha energía, los efectos que produce en la tierra son: los vientos, la energía eólica, el ciclo del agua, la realización de la fotosíntesis en las plantas, etc. Toda esa energía se aprovecha de dos formas térmica y fotovoltaica. La energía solar es un recurso energético terrestre constituido por la porción de luz que emite el sol la cual es interceptada por la Tierra. Tiene algunas aplicaciones tales como: Directa, puesto que sirve para iluminar recintos y el secado de ropa. Térmica, se aprovecha por el calentamiento de algún medio como la climatización de viviendas y calefacción. Fotovoltaica, aprovechada por celdas fotoeléctricas convirtiendo la luz en un potencial eléctrico. Asimismo, la energía solar es amigable con el medio ambiente porque no produce emisiones de CO2 y otros gases contaminantes a la atmósfera. En el Perú la disponibilidad de la energía solar es mayor y uniforme durante todo el año en comparación a otros países. Siendo en promedio anual su disponibilidad, de 4-5 kWh/m2 día en la costa y en la selva de 5-6 kWh/m2 día, aumentando de norte a sur, indicando que es suficiente para satisfacer las necesidades energéticas de una familia. Con el propósito de eliminar de forma gradual y progresiva la utilización de combustibles fósiles no renovables y lograr una transición hacia las energías limpias y renovables, creando conciencia y el compromiso necesario de la industria, los políticos, y los usuarios finales de esta tecnología y el servicio que presta; se promueve la utilización e instalación domiciliaria de termas o calentadores solares. Según la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES): si en México se instalaran cinco millones de metros cuadrados de calentadores solares, en menos de 10 años, el GLP equivalente dejado de consumir en los siguientes 20 años sería de 15 millones de toneladas, lo que además evitaría lanzar a la atmósfera casi 30 millones de toneladas de C02, principal gas de efecto invernadero causante del cambio climático.
Cabe mencionar que una terma solar permite calentar agua con la radiación solar y almacenarla para ser usada en cualquier momento. La eficiencia y vida media de un calentador solar depende de los materiales y el diseño empleados. Consta de colector solar, tanque de almacenamiento de agua y sistema de tuberías que tiene la función de transportar el agua fría o caliente a través de los elementos que forman la terma solar. La disponibilidad de agua caliente para el aseo personal permitirá fortalecer los hábitos de higiene personal y resguardar la salud de los usuarios de la terma solar, previniéndolos de resfriados severos y neumonías, así como enfermedades de la piel (micosis, eccemas, etc.) y digestivas (diarreas, parasitosis, infecciones bacterianas, etc.), estas últimas principalmente debido al inadecuado o nulo lavado de manos antes de consumir sus alimentos. La energía necesaria para elevar la temperatura de una sustancia es una propiedad física conocida como el “calor específico” de dicha sustancia. El calor específico del agua (Cp) es 4200 J/kg/ºC. Eso significa que se necesitan 4200 joules de energía para elevar en un grado centígrado la temperatura de un kilogramo de agua. Si las familias están conformadas por 4 personas, según el INEI en su último Censo 2007, en promedio y cada persona consume aproximadamente entre 25 a 30 litros por día de agua caliente, se tiene que su consumo diario asciende a 120 litros de agua caliente. De esto se deduce que la energía necesaria para elevar la temperatura de aproximadamente de 15° a 40°C para una familia promedio de Trujillo sería: Q = M x Cp x (T°1 – T°2) = 150 kg ×4200 J/kg/°C× (40°C - 15°C) = 15,75 MJ = 4,38 kWh
Para la presente investigación se emplearon materiales caseros para la construcción de la terma solar, como por ejemplo: botellas, tubos de PVC, madera, tachos y calamina. 1.2 Antecedentes: -
Cáceres, Richard y otros. (2012). Realizó una investigación en la Universidad Nacional del Centro del Perú titulada “Diseño de un sistema de agua caliente para un hotel de 30 personas”, concluyendo que, para la implementación de agua caliente (40 ºC) para el hotel, será necesario la instalación de una terma
-
con un colector de 28,87 m2 de área, con 3 tanques de 600 litros cada uno. Herrera, Ronald. (2011). Realizó una investigación en la Pontífice Universidad Católica del Perú titulada “Diseño de una cama calefactora para regiones
frías”, concluyendo que, se diseñó una cama calefactora mediante el uso de energía solar para proporcionar el confort térmico al campesino en la noches. El campesino necesita un suministro de calor de 35 W durante 10 horas lo cual resulta en una carga térmica de 1300 kJ. La pila de piedras tiene un volumen de 0,5 m3 y se calienta hasta una temperatura de 22 ºC durante el día y disminuye hasta una temperatura de 15 ºC mientras que dentro del cuarto se encuentra a 5 ºC y afuera a 5 ºC bajo cero. Este cambio de temperatura libera 2200 kJ, lo cual nos asegura que la pila de piedras proporcionará la cantidad de calor que necesita el hombre para encontrarse -
en confort térmico. Montoya, Luis y otros. (2011).Realizó una investigación en la Universidad Nacional de San Agustín titulada “Evaluación de un calentador solar de agua de acuerdo a la Norma Técnica Peruana”, concluyendo que, los valores típicos del factor de remoción para el tipo de colectores como el que se evalúa van de 0,82 a 0,85 (Chasseriaux, J.M., 1990); para el caso del colector evaluado se ha obtenido un valor de 0,722; esto es debido a un mal contacto
-
térmico entre la placa absorbedora y los tubos de la rejilla. Rivasplata, César. (2012). Realizó una investigación en la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann titulada “La industria y el desarrollo cronológico de colectores solares planos para calentamiento del agua”, concluyendo que, Arequipa está en condiciones de competir con mercados extranjeros.
1.3 Marco Teórico Energía solar: Energía radiante producida por el sol como resultado de reacciones nucleares de fusión. Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía llamados fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera. La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.
Energía solar térmica: Un sistema de aprovechamiento de la energía solar muy extendido es el térmico. El medio para conseguir este aporte de temperatura se hace por medio de colectores. El colector es una superficie, que expuesta al a radiación solar, permite absorber su calor y transmitirlo a un fluido. Existen tres técnicas diferentes entre sí en función de la temperatura que puede alcanzar la superficie captadora. De esta manera, los podemos clasificar como: Baja temperatura, captación directa, la temperatura del fluido es por debajo del punto de ebullición. Media temperatura, captación de bajo índice de concentración, la temperatura del fluido es más elevada de 100 ºC. Alta temperatura, captación de alto índice de concentración, la temperatura del fluido es más elevada de 300 ºC. Principios de sistema solares para calentar agua: Se puede clasificar en cuatro principios, lo que permite adaptarlos a los requerimientos y situaciones individuales. Principio pasivo, Se usa el efecto que el agua caliente por su menor densidad y sube por si misma al tanque (principio termosifón). Sí no requiere ninguna bomba, pero el tanque de agua debe ser colocado arriba del colector solar para captar y guardar en agua caliente. Principio activo, Diferente al anterior, se usa una bomba para mover el agua caliente, un controlador apaga la bomba si la temperatura en el colector es más baja que la del tanque (por ejemplo en la noche). Tiene la ventaja que se puede colocar el tanque en cualquier lugar, por ejemplo en el sótano, mientras los paneles son montados en el techo. Principio directo, Aquí el agua de uso fluye directamente por el sistema y es calentado sin otro intermedio. Es muy eficiente, pero delicado, por ejemplo en el altiplano, donde la temperatura puede estar debajo del punto de congelamiento en las noches. El agua se congela y los tubos pueden romperse. En estos casos se usan los sistemas indirectos. Principio indirecto, En esto, el líquido que fluye por los paneles es tratado similarmente al agua en los radiadores de los carros con anticongelantes (por ejemplo: glicol). No potable y venenoso para el consumo, esto requiere separar el líquido que pasa por los paneles del agua potable con un intercambiador de calor, normalmente dentro del tanque de agua.
La terma solar: Es un dispositivo que sirve para calentar agua aprovechando la energía solar. Consta de las siguientes partes: El colector, constituido por la placa absorbente y la caja térmica. La placa absorbente es la unidad receptora de la radiación solar que calienta el agua, y está formada por una plancha de fierro a la cual se adhieren una serie de tubos paralelos dentro de los cuales circula el agua. La caja térmica lleva en su interior la placa absorbente con un colchón de aislamiento. El tanque de almacenamiento, almacena el agua caliente hasta su utilización y está aislado para conservar el calor. Las conexiones, se usan para la circulación del agua entre el colector y el tanque durante las horas de sol, y de éste hacia la tubería de uso. El agua fría ingresa por la parte inferior al colector y se calienta por el efecto de la radiación solar a medida que asciende por la placa absorbente. El agua caliente, que sale del colector, ingresa al tanque por la parte superior, mientras por la parte inferior sale el agua más fría hacia el colector, para circular continuamente durante las horas de sol. 2. Planteamiento del problema científico a investigar 2.1. Problema de investigación ¿Cómo aprovechar la energía térmica originada por la radiación solar para poder obtener agua caliente para diversos usos? 2.2 Hipótesis La energía térmica se puede aprovechar mediante la construcción de una terma solar casera hecho con material reciclado. 2.3 Justificación La necesidad de utilizar agua caliente para el aseo personal y otros que el consumidor considere. Así también muchos hogares en La Libertad no tienen acceso a una terma de agua, por dos razones; el primero, por el alto costo de adquisición y mantenimiento, y el segundo por el elevado costo de electricidad que éste genera; razón por la cual, se considera adecuada la construcción de una terma solar casera. La energía solar se puede transformar con facilidad en calor lo cual se puede
aprovechar para la obtención de agua caliente. Podemos disponer de dicho elemento, no sólo para el aseo personal, sino para cubrir todas las necesidades de agua caliente, de esta manera ahorramos dinero. Ésta tecnología es ideal para implementarse en los colegios, o zonas con alta radiación, donde los pobladores pueden obtener agua caliente para sus quehaceres diarios. Se puede construir este calentador del tamaño que se desee. Con la construcción de una terma solar casera, se contribuye de manera importante en la reducción de gases de efecto invernadero causantes del cambio climático, y se mejora de forma significativa la calidad del aire ya que disminuye significativamente el uso de combustibles fósiles. Construir un calentador solar de bajo costo con material reciclado es algo muy simple y útil. 2.4 Objetivos 2.4.1 Objetivos Generales: - Construir una terma solar casera con materiales de fácil obtención - Aprovechar la radiación solar para la obtención de agua caliente para diversos usos. 2.4.2 Objetivos Específicos: - Proponer una nueva forma de obtener agua caliente, a partir de la energía solar. - Explicar los fundamentos físicos y teóricos, tipos de energía necesarias para la realización del proyecto. - Disminuir el consumo de energía eléctrica. - Determinar que su fabricación es de bajo costo, sencillo y útil. - Determinar que la requerido. 3. Materiales y Métodos 3.1 Materiales
terma solar casera construida proporciona el calor
La terma solar construida tiene los siguientes elementos:
64 botellas de plástico de ½ litro. 64 botellas de plástico de 1 ½ litros. 64 botellas de plástico de 3 litros. 8 uniones “T”. 3 codos. 1 rollo de teflón 2 llaves esféricas de ¾’’. Tacho aislado de 70 litros. Tacho aislado de 50 litros. 4 tubos de agua de ½’’. Taladro eléctrico 1 arco de sierra Madera de 1,60 x 1,80 metros. Calamina
El costo total de los materiales es de S/. 523,70 – Ver Anexo 2 3.2 Procedimiento 3.2.1 Construcción del panel o colector a) El ángulo de aluminio es cortado solo un lado en 1,15 m y a 0,65 m, luego lo doblamos formando un rectángulo, en las uniones del dobles hacemos orificios con el taladro de mano, después aseguramos con un tornillo, lo mismo hacemos con el otro, posteriormente realizamos cortes de 0,14 m, estos son colocados en las esquinas formando un cubo, aseguramos con el tornillo como en el caso anterior. b) Realizamos cortes de 0,94 m del tubo ½’’ seis unidades y uno de 1,15 m. adherimos pegamento PVC y lo unimos a presión los seis tubos con las “T” y codos. Luego realizamos cortes de 7 cm, 12 unidades para unir “T” con “T” o con codos, quedando al final como una parrilla y pasamos una mano de pintura negra con spray. c) Cortamos una calamina de 0,86 m por 6 canales de forma que dé en los canales las 6 tuberías, pintamos la calamina, una vez seca aseguramos la calamina con la tubería y pintamos la última mano de pintura a los dos. Los laterales de la parte interna de la caja se forran con papel aluminio pegando con silicona, posteriormente se ubica la parrilla de tubería y aseguramos teniendo en cuenta que por los orificios de la parte superior la tubería sobre
pase al menos 5 cm. Hay que tener en cuenta que la tubería libre es para agua fría y por lo tanto no debe ser pintada ni cubierta con calamina. d) Por último pegamos el vidrio con la silicona. 3.2.2 Construcción del tanque de almacenamiento de agua caliente a) Realizamos 4 agujeros de ½’’ al bidón de PVC, uno en la parte baja a 4 cm de la base (conexión entre el tanque y el colector), uno a 2/3 de la base (salida de agua de consumo), uno a 40 cm de la base para el ingreso de agua caliente del colector o panel y uno a 45 cm de la base (entrada de agua de la red). Colocamos una boya a la entrada de agua de red para controlar automáticamente el nivel de agua en el bidón y en los demás orificios ira un adaptador con una unión mixta de modo que entre estos debe estar la empaquetadura. b) Planchamos la calamina, haciendo uniones de gancho formamos un cilindro (debe tener 5 cm más de radio que el bidón de almacenamiento) y sobre la base se asegura con alambre. c) Instalamos el sistema tanque colector para el cual hacemos uso de los tubos de mangueras de ¾’’ para agua fría y caliente.
4. Resultados y discusión 4.1 Evaluación de la terma solar Se llenó con agua el sistema y se procedió a medir la temperatura del agua en la terma solar tanto en la entrada al colector solar y en el final en el tanque de almacenamiento. Como la terma solar debe funcionar en cualquier condición climática, se determinó su capacidad en los siguientes tipos de días: Soleados, días con presencia visible del sol. Combinados, días con presencia y ausencia visible del sol. Nublados, días con ausencia visible del sol. Los datos se determinaron en el periodo de 8 semanas, los días sábados y domingos desde las 8:00 horas hasta las 16:00 horas cada 30 minutos, este periodo
nos otorgará un número de días suficiente para tener como mínimo 2 datos de cada tipo de día a evaluar. La radiación solar directa y difusa produjo el efecto invernadero en el interior del colector solar. El calor generado lo absorbió la placa metálica y las botellas de plástico pintadas. El calor absorbido por ambos componentes se transfirió al agua contenida, incrementado la temperatura del agua, ocasionando que disminuya su densidad, generando un termosifón natural que hizo que el agua fluya hacia el tanque de almacenamiento. Para cada evaluación se cambiaba completamente el agua del sistema. 4.2 Representación gráfica de los días de funcionamiento Se obtuvieron los datos por cada tipo de día: soleado, combinado y nublado, con ayuda de un termómetro el promedio de datos fueron los siguientes. La tabla de datos está en el Anexo 1.
Temperatura °C
Días soleados 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
Tiempo de evaluación Temperatura del agua
Figura 1: Temperatura del agua en la terma solar durante días soleados Interpretación: Al inicio de cada evaluación, el agua se encontraba en promedio a 17 °C, debido a que siempre se cambiaba toda el agua al sistema. Se observó un incremento constante de la temperatura durante el día, alcanzando una diferencia en su punto máximo de 45 – 17 = 28 °C.
Temperatura °C
Días combinados 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
Tiempo de evaluación Temperatura del agua
Figura 2: Temperatura del agua en la terma solar durante días combinados Interpretación: Al inicio de cada evaluación, el agua se encontraba en promedio a 17 °C, debido a que siempre se cambiaba toda el agua al sistema. Se observó un incremento constante de la temperatura durante el día, alcanzando una diferencia en su punto máximo de 40 – 17 = 23 °C.
Temperatura °C
Días nublados 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
Tiempo de evaluación Temperatura del agua
Figura 3: Temperatura del agua en la terma solar durante días nublados
Interpretación: Al inicio de cada evaluación, el agua se encontraba en promedio a 16 °C, debido a que siempre se cambiaba toda el agua al sistema. Se observó un incremento constante de la temperatura durante el día, alcanzando una diferencia en su punto máximo de 32 – 16 = 16 °C.
4.3 Discusión de los resultados En la presente investigación se determinó que el agua logra incrementar su temperatura por medio de la terma solar, dicha variación depende del tipo de día en el que nos encontremos, el agua en su punto máximo en los días soleados logra llegar hasta los 45 °C, en los días combinados hasta los 40 °C y en los días nublados hasta los 34 °C. Se observó que estos picos de incremento se dan alrededor del mediodía. Asimismo se determinó que el costo para construir la terma solar asciende a aproximadamente S/. 300 lo cual resulta viablemente económico pues se logra ahorrar al no consumir energía eléctrica y combustible alguno. Esto se contrasta con la investigación de Cáceres, Richard y otros. (2012), indicando en su trabajo que el agua logró alcanzar los 40 °C, así también para Herrera, Ronald. (2011) el aumento de temperatura del agua fue de 22°C durante el día. La energía solar térmica es la solución más barata, disponible, segura y limpia para instalaciones con un consumo importante de agua caliente, como las viviendas y los hoteles, cuyo empleo permitirá el ahorro de grandes cantidades de petróleo, gas, electricidad y biomasa. Con el propósito de eliminar de forma gradual y progresiva la utilización de combustibles fósiles no renovables como el carbón mineral, el petróleo y sus derivados; y en vez de ellos utilizar las energías limpias y renovables, se debe crear conciencia y lograr el compromiso necesario de la industria, los políticos, y los usuarios finales a favor de las tecnologías limpias y el servicio que prestan; en este sentido, se debe promover la utilización e instalación domiciliaria de termas o calentadores solares.
5. Conclusiones Se logró construir la terma solar con materiales accesibles y baratos
La radiación solar permitió el incremento de la temperatura del agua En base a la ciencia y sobre todo a la física se logró desarrollar el proyecto y aplicarlo en la realidad. El costo de construcción de la terma solar fue de bajo costo La terma solar logró incrementar la temperatura del agua hasta un punto máximo de 45°C
6. Referencias bibliográficas Cáceres, Richard y otros. Diseño de un sistema de agua caliente para un hotel de 30 personas. Tesis, Huancayo: Universidad Nacional del Centro del Perú, 2012. Fernández, Keith y otros. Eficiencia y capacidad de una terma solar con un colector de 1m2 de tubos verticales de cobre. Tesis, Chachapoyas: Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza de Amazonas, 2014. Herrera, Ronald. Diseño de una cama calefactora para regiones frías. Tesis, Lima: Pontificia Universidad Católica del Perú, 2011. Montoya, Luis y otros. Evaluación de un calentador solar de agua de acuerdo a Norma Técnica Peruana. Tesis, Lima: Universidad Nacional de San Agustín, 2011. Rivasplata, César. La industria y el desarrollo cronológico de colectores solares planos para calentamiento de agua. Tesis, Tacna: Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann, 2012.
Sánchez, Pedro. Termas solares usos y aplicaciones en el Perú. Lima: Solartec, s/a: 24.
ANEXOS Anexo 1: Tabla de registro de las temperaturas promedios durante 8 semanas (sábados y domingos) en la terma solar Hora 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00
Días soleados (°C) 17 19 24 28 35 40 45 44 42
Días combinados (°C) 17 18 19 22 27 35 38 40 39
Días nublados(°C) 16 17 19 24 26 27 28 32 31
* Los datos por cada tipo de día representan el promedio de la toma de 2 datos como mínimo para establecer la tabla promedio de temperaturas.
Anexo 2: Costo de materiales para la construcción de la terma solar Descripción Uniones “T” de PVC Codos de PVC Cinta Teflón Llaves esféricas de ¾’’ Humboldt Tacho aislado de 70 litros Tacho aislado de 50 litros Tubos de PVC de ½’’ Taladro percutor eléctrico Arco de sierra ajustable Madera de 1,60 x 1,80 metros Calamina metálica
Cantidad 8 3 1 2 1 1 4 1
Costo Unitario (S/.) 1,40 1,50 4,00 25,00 60,00 50,00 8,00 160,00
Costo Total (S/.) 11,20 4,50 4,00 50,00 60,00 50,00 32,00 160,00
1 1 1
25,00 100,00 27,00
25,00 100,00 27,00
TOTAL Fuente: Sodimac
523,70
Anexo 3: Registro fotográfico de la construcción de la terma solar Construcción del tanque de almacenamiento
Pintado de las botellas de plástico
Armado de la estructura de la terma solar
Estructura final de la terma solar
