Calentador Solar de Efecto Invernadero
Introducción:

El agua caliente es indispensable en todos los hogares del mundo, la mayoría de las familias mexicanas obtienen agua caliente por medio de calentadores  convencionales de depósito.  Ante el frecuente aumento en el costo del gas L. P., y después de observar los daños a la ecología provocados por la quema de combustibles, es prudente buscar otras alternativas para satisfacer nuestras necesidades de agua caliente.

La solución es aprovechar otras fuentes de energía que sean baratas y renovables,  la energía solar es la alternativa perfecta  para la población mexicana; pues México por su ubicación geográfica cuenta con días soleados  durante gran parte del año.

Alternativa de Solución:


La solución propuesta es la utilización de un calentador solar de efecto invernadero, elaborado con materiales y procesos de fabricación de bajo costo.

Beneficios:

"        Económicos: Con la instalación de un calentador solar se pueden satisfacer la mayor parte de las necesidades de agua caliente en una casa, sin tener que pagar combustible; aunque la inversión inicial  para adquirir una calentador solar es mayor a la de un boiler convencional, el dinero invertido se recupera a corto plazo.

"        Ecológicos: El uso de calentadores solares ayuda al mejoramiento del entorno ambiental, pues los problemas de contaminación en zonas urbanas no se deben únicamente a las actividades industriales o de transporte, sino también a la quema de gas LP (licuado del petróleo) en miles de hogares.

Es curioso, que los mismos principios físicos involucrados en un problema nos den una alternativa de solución.

Sabemos de los grandes daños que ocasiona la emisión de gases a la atmósfera; pues provocan el muy conocido efecto invernadero. Los gases producto de la quema de combustibles, CO2; principalmente se acumulan en la parte alta de la atmósfera formando una capa, esta permite el paso de la energía del sol desde el exterior pero evita que la energía reflejada por la Tierra se escape al espacio, lo que ocasiona el aumento de la temperatura de la Tierra, fenómeno conocido como calentamiento global.

El calentador solar de efecto invernadero simula el fenómeno ocurrido en la atmósfera, con la intención de aprovechar al máximo la energía otorgada por el Sol.

Caja de efecto invernadero.
Partimos de una simple caja de madera o lámina, la cual deberá captar la energía del sol con la menor disipación de calor posible.

radiación solar y calentador solar
La caja deberá ser tapada con dos cristales como se muestra, y la cámara formada por ellos  deberá encontrarse al vacío (preferentemente); por las razones que se explican a continuación:

La intención de la caja de efecto invernadero es mantener la temperatura más alta posible en el interior.

Al estar cerrada la caja, la temperatura del interior T2, será mayor que la del exterior T1; pues el aire en su contenido no tiene posibilidades de desplazarse y ser remplazado por aire frío.

Pero si solo se colocara  un solo cristal o no existiera la cámara de vació,  el aire caliente (del interior) estaría en contacto directo  con el aire frió (del exterior) dándose transferencia de calor por conducción, lo que ocasionaría pérdidas.

En cambio si existe un espacio vació entre el exterior y el interior se reduce la posibilidad de perdidas por conducción de calor.

Elemento calefactor.

Será el elemento responsable de transferir la energía captada, al agua. Constara de una estructura de tubos de cobre conectados en paralelo como se muestra en la figura.


TecnoDesarrollos
flujo de calor y energía en calentador solar
captador de energía solar con tubería de cobre
Esta estructura estará colocada en el interior de la caja de efecto invernadero antes descrita,  y con la intención de aprovechar al máximo la radiación solar los tubos serán cubiertos por pintura negra.
Aún después de pintar los tubos de color negro sigue  sin aprovecharse al máximo la radiación solar; observe:
tubo de calentador solar seccionado y area aprovechada
Para contrarrestar este efecto proponemos el siguiente arreglo de espejos.
aprovechamiento solar maximo con espejos
De esta manera se puede maximizar la superficie expuesta a la radiación solar lo que nos permitirá obtener menos perdidas.

Diseño:

Características: El elemento calefactor de nuestro calentador solar (anteriormente descrito), será de 10 tubos de cobre con una longitud de 1.5m y un diámetro de 1pulg.


Volumen de agua contenido en el elemento calefactor.

Volumen de agua contenido en el elemento calefactor.

    
Donde. . .

A: área del a sección transversal del tubo =
L: longitud del tubo.
N: numero de tubos.


Ahora necesitamos calcular el calor necesario para elevar la temperatura del agua, proponemos elevarla 30°C.


Donde. . .

Q = calor ganado por el agua.
Ce = calor especifico del agua 
m = masa de la muestra de agua.
  =  cambio de temperatura.


ecuaciones para calculo energetico en calentador solar
La energía solar recibida por la tierra se mide por medio de la constante solar, K.  es una medida de la cantidad de energía recibida por unidad de superficie.

El valor medido es   .
Este valor no es el correspondiente a la superficie terrestre, sino que es el medido por satélites antes de entrar a la atmósfera.

Para estimaciones de nuestro proyecto asumiremos una K de la mitad del valor antes mostrado.


          


Donde. . .

Q = calor ganado por el agua.
K = Constante solar (asumida como  )
A = Superficie normal a la radiación solar.
Nota: para este calculo utilizamos solo superficie expuesta al sol directamente, sin tomar en cuenta la superficie adicional obtenida por el arreglo de espejos.



Ecuaciones para calentador solar
Según estos cálculos  lograremos elevar la temperatura de 7.6 litros de agua, 30°C en alrededor de una hora.
¡MANOS A LA OBRA!
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temperatura alcanzada por calentador solar
Calentador solar con ventana doble
Sin palabras, las imagenes lo dicen todo, hasta la temperatura...

Sin embargo no dicen lo divertido y agradable que fué trabajar con el increíble equipo de trabajo para que este proyecto se viera realizado.


Muchas gracias a:

Moises Becerra Pérez
José Antonio Huerta Jiménez
Daniel Rodríguez Pérez
Samuel David Juárez Patiño
Fernando Mendoza Martínez.