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BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA Facultad de Ciencias de la Electrónica

ENERGÍA SOLAR

Práctica 3 Eficiencia de un tubo de evacuado Docente Sandra Jiménez Xochimitl

Integrantes Abigail González Tecanhuey Andrea López López Geovani Morales Aquino Daniela Victoria Tecotl Cuauhtémoc Maybelline Figueroa Rodríguez

Fecha de elaboración: 23 de octubre 2019 Fecha de entrega: 31 de octubre 2019

I.

INTRODUCCIÓN

El proceso de calentamiento de agua con energía solar consiste en la transformación de la radiación a través de un sistema colector que absorbe la energía y la aprovecha para elevar la temperatura del fluido. A lo largo del día la energía del Sol que un colector solar convierte en energía utilizable varía y por ende la eficiencia de cada tubo que forma parte del sistema también cambia, esto depende de factores como la temperatura ambiente, la inclinación de los tubos, la radiación que incide sobre cada uno y el efecto de esta en la temperatura del fluido.

II. ● ●

OBJETIVOS

Conocer el comportamiento de los tubos evacuados ante la acción de la radiación solar incidente. Analizar datos de irradiancia solar, temperatura e inclinación para calcular la eficiencia de un tubo evacuado.

III.

➢ Varilla aislante ➢ Cable ➢ Caimanes ➢ Recipiente para medir capacidad ➢ Agua A. Colocar sobre una varilla aislante delgada, de aproximadamente 1.85 m y 1 cm de diámetro como máximo, 3 sensores de temperatura DS18B20 distribuidos de tal manera que se puedan medir 3 puntos uniformemente distribuidos a lo largo del tubo evacuado. Se sueldan y se aíslan los cables a los sensores que estarán en la parte inferior y en el medio del tubo para que salgan del tubo para poder realizar la medición de temperatura.

FUNDAMENTO TEÓRICO

Los tubos evacuados de los colectores están hechos de dos tubos de vidrio concéntricos, es decir uno dentro del otro, con vacío entre los dos. El vidrio es de Boro-Silicato, un vidrio resistente a los shocks térmicos y a los golpes. La radiación solar incide en la capa absorbente selectiva inyectada en el tubo interior. [1] La cantidad de calor Q necesaria para elevar la temperatura del sistema, es decir el calor útil, es proporcional a la variación de temperatura y a la masa del fluido: 𝑄 = 𝑚𝐶𝑝 𝛥𝑇, en donde 𝑚 es representa la masa, 𝐶𝑝 es la capacidad calorífica, definida como la cantidad de energía transferida por calentamiento necesaria para aumentar un grado la temperatura de la sustancia que en este caso es el agua y

Fig. 1 Sensor de temperatura DS18B20

Para la primera parte de la práctica construimos una sonda hecha con un material aislante (rama de bambú) de aproximadamente 2.10 m y tres sensores de temperatura. Los ubicamos en tres posiciones diferentes a lo largo de la sonda que tendría la medida adecuada para introducirlo al tubo de evacuado.

𝛥𝑇 = 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 . CÁLCULO DE LA EFICIENCIA DE UN COLECTOR El rendimiento del colector está determinado por su eficiencia, la cual se define como la relación entre el calor útil en períodos de tiempo específicos sobre la energía solar incidente en un área determinada en el mismo período. [2] A partir de esta definición, la representación conveniente de la eficiencia para colector solar de lámina y tubo es: Fig. 2 Introducción de la sonda al tubo de evacuado

IV.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

El material utilizado para el desarrollo de la práctica fue: ➢ 3 tubos evacuados ➢ 3 sensores de temperatura DS18B20 ➢ Arduino Uno ➢ Piranómetro ➢ Multímetro

B. Colocar los tubos evacuados, dispuestos con distintos ángulos de inclinación respecto a la horizontal: 20°, 40° y 60°; con su respectivo ángulo de acimut que le corresponde al lugar donde se hará la medición. Monitorear la temperatura cada 1 minuto por 1 hora. Al mismo tiempo se colocará el piranómetro para medir la radiación global solar incidente.

Se colocó el tubo de evacuado sobre un soporte de metal en un ángulo respecto a la horizontal de 23 °.

Fig. 4 Orientación del tubo respecto al ángulo azimut

Fig. 3 Colocación del tubo a 23° respecto a la horizontal

Posteriormente calculamos el ángulo acimut para ubicar de manera correcta el tubo dependiendo de la ubicación en la que se realizó la práctica. Cálculo del ángulo azimut Se hizo el cálculo para el día 23 de octubre en la ciudad de puebla a las 3 de la tarde, por lo tanto, se tomó en cuenta: Una latitud = 19° 2” 36.02” = 19.04 w = 45° n = 273+ 23 = 296

Primero se calculó la declinación: δ= 23.45 sen 360365(n + 284) δ= 23.45 sen 360365(296 + 284) = -12.44 Luego la altura solar: h = arc sen [sen δ sen Φ +cos δ cos Φ cos w] h = arc sen [sen (-12.44) sen (19.04) + cos (-12.44) cos (19.04) cos (45°)] h = 35.62 Ángulo azimut:

𝛹 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 [ 𝛹 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 [

𝑠𝑒𝑛 𝛷 𝑠𝑒𝑛 ℎ − 𝑠𝑒𝑛 𝛿 ] 𝑐𝑜𝑠 𝛷 𝑐𝑜𝑠 ℎ

𝑠𝑒𝑛 (19.04) 𝑠𝑒𝑛 (35.62) − 𝑠𝑒𝑛( −12.44) ] 𝑐𝑜𝑠 (19.04) 𝑐𝑜𝑠 ( 35.62)

𝛹 = 58.148

Fig. 5 Conexión de la sonda al arduino para obtener los datos de temperatura de cada uno de los sensores

1.

Hacer una gráfica de temperatura vs tiempo (hora local tomada cada 1 minuto) por cada sensor de temperatura y para cada tubo.

Tubo #1: ángulo de 23° HORA INICIAL: 16:26 HORA FINAL: 17:26 ●

SENSOR 1

●

SENSOR 2

●

SENSOR 3

●

SENSOR 3

Tubo#3: ángulo de 60° (equipo 3) HORA INICIAL: 15:40 HORA FINAL: 16:40 ●

SENSOR 1

●

SENSOR 2

●

SENSOR 3

Tubo #2: ángulo de 32.13° (equipo 2) HORA INICIAL: 15:56 HORA FINAL: 16:56 ●

●

SENSOR 1

SENSOR 2

2.

Hacer una gráfica de irradiancia vs tiempo (hora local tomada cada 1 minuto).

Tubo #1: ángulo de 23° ●

OBTENCIÓN DE LA RADIACIÓN PARA CADA EQUIPO

Tubo #1: ángulo de 23°

Radiación en un horario de 16:26 a 17:26

●

Del minuto 1 a 60, tenemos: 3600

∫

Tubo #2: ángulo de 32.13°(equipo 2) ● Radiación en un horario de 15:56 a 16:56

9300 𝑑𝑥

60

3600

9300 ∫

𝑑𝑥

60

9300 𝑥 ]3600 60 9300 (3600) − 9300(60) = 32.922 MJ/𝑚2 La suma total nos da un valor de 32.922 MJ/𝑚2

Tubo #2: ángulo de 32.13° (equipo 2)

Tubo #3: ángulo de 60° (equipo 3) ● Radiación en un horario de 15:40 a 16:40

●

Del minuto 1 a 60, tenemos: 3600

∫

15500 𝑑𝑥

60

3600

15500 ∫

𝑑𝑥

60

15500 𝑥 ]3600 60 15500 (3600) − 15500(60) = 54.87 MJ/𝑚2 La suma total nos da un valor de 54.87 MJ/𝑚2

𝐴 = (1.80 𝑚)(0.06 𝑚) = 0.108 𝑚2

Tubo #3: ángulo de 60° (equipo 3)

78.938 𝑘𝐽

𝜂 = 𝑄/𝐼𝐴 = (54.87 𝑀𝐽/𝑚2 )(0.108 𝑚2 ) =0.0133207 Tubo #3: ángulo de 60°(equipo 3) 𝑚 = 2.5 𝑘𝑔 = 2.5 𝑙 = 2500 𝑐𝑚3 = 0.0025 𝑚3 4.184 𝑘𝐽 𝐶𝑝 = (1000 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚3 ⋅ º𝐶)( ) = 4184 𝑘𝐽/𝑚3 ⋅ º𝐶 1 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝛥𝑇 = 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 = 29.833º𝐶 − 22.02º𝐶 = 7.813 º𝐶 𝑄 = (0.0025 𝑚3 )(4184 𝑘𝐽/𝑚3 ⋅ º𝐶)(7.813 º𝐶) 𝑄 = 81723.98 𝐽 = 81.724 𝑘𝐽 𝐴 = (1.80 𝑚)(0.06 𝑚) = 0.108 𝑚2 ●

Del minuto 1 a 60, tenemos:

81.724 𝑘𝐽

𝜂 = 𝑄/𝐼𝐴 = (61.95 𝑀𝐽/𝑚2 )(0.108 𝑚2 ) =0.0122147

3600

∫

17500 𝑑𝑥

60

3600

17500 ∫

𝑑𝑥

V.

60

17500 𝑥 ]3600 60 17500 (3600) − 17500(60) = 61.95 MJ/𝑚2 La suma total nos da un valor de 61.95 MJ/𝑚

3.

2

Estimar la eficiencia del tubo evacuado tomando un promedio de las temperaturas en los 3 puntos ubicados sobre el tubo evacuado por 1 hora. Para ello se considerará la temperatura promedio inicial y final, considerando que 𝑄 = 𝑚𝐶𝑝 𝛥𝑇 y de la irradiancia solar se determina la eficiencia 𝜂 = 𝑄/𝐼𝐴 donde 𝐼 es la irradiancia en 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠/𝑚2 y 𝐴 es el área del tubo.

Tubo #1: ángulo de 23° 𝑚 = 2.5 𝑘𝑔 = 2.5 𝑙 = 2500 𝑐𝑚3 = 0.0025 𝑚3 4.184 𝑘𝐽 𝐶𝑝 = (1000 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚3 ⋅ º𝐶)( ) = 4184 𝑘𝐽/𝑚3 ⋅ º𝐶 1 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝛥𝑇 = 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 = 29.23º𝐶 − 24.73º𝐶 = 4.5 º𝐶 𝑄 = (0.0025 𝑚3 )(4184 𝑘𝐽/𝑚3 ⋅ º𝐶)(4.5 º𝐶) 𝑄 = 47 070 𝐽 = 47.07 𝑘𝐽

●

Analizar la influencia que tiene la inclinación del tubo evacuado en la recolección de la radiación solar y por tanto en la captación de calor del sistema. Se observan valores menores de temperatura al interior del tubo inclinado a 23º respecto al tubo inclinado 60°, esto sucede porque la radiación solar directa incide de sur a norte en la parte inferior de los dispositivos. Entre mayor es el ángulo entre la radiación directa sobre la superficie horizontal y la normal del tubo, menor será la radiación aprovechable, esto sumado a que los datos para el tubo con ángulo de 23º fueron tomados minutos más tarde. Además, las condiciones climatológicas variaron en cada medición, y por ende la captación de radiación. Los resultados experimentales con diferentes inclinaciones de los tubos evacuados con tres declinaciones solares diferentes, muestra la influencia significativa en la recolección de la radiación solar diaria y por tanto en la captación de calor del sistema.

●

𝐴 = (1.80 𝑚)(0.06 𝑚) = 0.108 𝑚2 47.07 𝑘𝐽 𝜂 = 𝑄/𝐼𝐴 = = 0.013238 (32.922 𝑀𝐽/𝑚2 )(0.108 𝑚2 )

Tubo #2: ángulo de 32.13° (equipo 2) 𝑚 = 2.5 𝑘𝑔 = 2.5 𝑙 = 2500 𝑐𝑚3 = 0.0025 𝑚3 4.184 𝑘𝐽 𝐶𝑝 = (1000 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚3 ⋅ º𝐶)( ) = 4184 𝑘𝐽/𝑚3 ⋅ º𝐶 1 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝛥𝑇 = 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 = 30.71º𝐶 − 23.1633º𝐶 = 7.5467 º𝐶 𝑄 = (0.0025 𝑚3 )(4184 𝑘𝐽/𝑚3 ⋅ º𝐶)(7.5467 º𝐶) 𝑄 = 78938.482 𝐽 = 78.938 𝑘𝐽

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Analizar la eficiencia del tubo evacuado y estimar el porqué del resultado. La eficiencia de un colector solar se define como la relación entre la energía absorbida (densidad de energía) por el fluido portador del calor y la energía incidente sobre su superficie. Como se pudo observar hubo mayor incremento de temperatura en el tubo que se encontraba a un ángulo de 60°, sin embargo, el tubo que se posicionó a un ángulo de 23°, mostró mayor eficiencia, puesto que las pérdidas asociadas a la radiación, convección y conducción fueron menores, en parte, debido al horario de captación, y a la temperatura ambiente. Con una irradiancia mayor el calor útil aumenta, sin embargo, llega a un punto en el cual el calor útil aumenta muy poco a

comparación de lo que puede aumentar la irradiancia. Para que la eficiencia fuera mayor el calor útil debería aumentar más rápido de lo que lo hace la irradiancia

VI.

CONCLUSIONES

La superficie de incidencia de la radiación solar sobre los tubos evacuados tiene dependencia del ángulo de inclinación de la radiación solar directa, la temperatura del agua en los dispositivos a inclinaciones menores cambia en función de la radiación directa. No obstante, se pudieron haber notado las variaciones más ampliamente si las mediciones hubiesen iniciado a la misma hora, tomando como única variable el ángulo en el que se posicionaron los tubos.

VII.

BIBLIOGRAFÍA

[1] AGM, Energía solar térmica. Colectores de tubos evacuados, 2015. [2] A. E. Ávila Gómez, J.M. Mendoza Fandiño y J. F. Beltrán Sarmiento, Ingeniería y desarrollo: Evaluación energética de un colector solar de placa plana de doble cubierta. Enero 2010. [En línea]. Disponible en: http://www.scielo.org.co/pdf/inde/n27/n27a06.pdf [último acceso: 30- octubre-2019] [3] J. R. Rodríguez Mejía, F. E. López Monteagudo, M. A. Araiza Esquivel y V. M. García Saldívar, Evaluación de la eficiencia de un calentador solar de tubos evacuados implementado con una tarjeta Arduino Mega. Octubre 2014.