jueves, 19 de diciembre de 2013

Colectores solares de bajo coste (low cost solar water collector). Cálculo del rendimiento

Hoy vamos a calcular el rendimiento de los captadores solares térmicos para agua. Es uno de los momentos más esperados desde el inicio de su construcción, hace ya alrededor de un año, cuando hice el primer prototipo.


Consideraremos las fenomenales gráficas aportadas gracias al Arduino y el fantástico portal emoncms.org, donde se van guardadando históricamente los datos obtenidos por los sensores de temeperatura, consultables en cualquier momento.
 
Atendiendo a las gráficas obtenidas el pasado día 15 de dicembre de 2013:


Lo primero que consideraremos es el tiempo que ha estado funcionando la bomba. Como sabemos, ésta se para en cuanto la diferencia de temperatura entre la placa abosrbedora del colector y el agua que le mandamos (la de la parte inferior del tanque) es menor de 7ºC. En esos momentos, el colector no esta "trabajando", por lo que no considero ese espacio de tiempo como útil.

Estos son los espacios de tiempo en los que la bomba ha estado en "ON" (en gris, en la parte baja de la gráfica, valores 0 o 1 ):

11:44:00-13:55:00 191 minutos =7860 seg
13:59:30-14:11:00 690 seg
14:15:00-14:23:30 510 seg
14:28:30-14:37:00 510 seg
14:42:00-14:48:30 330 seg
14:55:00-15:01:00 300 seg
15:06:30-15:12:00 330 seg

En total:

10530 seg = 175,5 minutos

A las 11:44:00 , la temperatura del agua en la parte inferior del depósito era de: 26,92ºC.
Y el máximo al que ha llegado unos momentos después de pararse por última vez la bomba ha sido de: 66,49ºC .

Esto nos da un incremento de temperatura de 39,57 ºC

Atendiendo a la fórmula del calor (m = 200 Kg, 200 litros de agua ):

Q = m.Ce.T = 200.1.39,57 = 7914 Kcal =  9,203982 Kilovatio-hora [kWh]

Esto es lo que hemos captado y guardado, 9,2 KWh, o el equivalente a una estufa de 2000 W calentando durante 4,6 horas.

Ahora obtendremos la potencia, divdiendo entre el tiempo:

P =  9,203982 Kilovatio-hora [kWh] / 175,5 minutos = 9,203982 Kilovatio-hora [kWh]/ 2,925 h = 3,14666 Kw

Esta es la potencia del sistema en total, diviendo entre 4 obtenemos la de cada captador:
Potencia real captador = 0.78666 Kw = 786,66 W

La Potencia teórica de cada captador, con una irradiación ideal de 1000W/m2 sería, atendiendo a su superficie captadora (descontando el marco de 3 cm, etc):

Medidas totales:         1,98m x 0,98m
Medidas superficie captadora :     1,91m x 0,93m -> Superficie captadora = 1,7763 m2 -> 1,7763 KW

Como en teoría no se llega a más de un 50% de la teórica: Potencia teórica = 888,15 W por colector
Lo que nos da un total de 3,5526 Kw.

Esto supone un 88 % de la teórica...  (con insolacioón ideal de 1000W/m2)


¿Nos hemos quedado atrás ? Echemos una ojeada a la tabla de irradiación solar para latitud de 40º:

http://www.builditsolar.com/References/SolRad/Lat40.htm

La realidad es que en estas fechas (Diciembre), la irradiación máxima es ( para una inclinación de unos 75º, e interpolando entre 60 y 90 que nos da la tabla)  de unas 280 BTU hr/ft2 (882,5 W/m2).

Por tanto: Potencia teorica: 882,5 W/m2 * 1,7763 m2= 1567,585 W

Potencia real / Pot. teorica = 786,66/ 1567,585 = 0,502 ->  O sea, un 50,2 %

Como dicen por aquí: CLAVAO !







viernes, 13 de diciembre de 2013

Colectores solares de agua de bajo coste (low cost solar water collector). Instalación.

Ya están instalados los cuatro colectores solares de agua, en el patio, mirando al sur, y con un ángulo respecto al suelo de uno 75 grados:


La monitorización de las diferentes temperaturas se hace gracias a Arduino, que junto a un módulo de Ethernet, nos muestra el estado y valor de los diferentes sensores en una página web. Los valores captados por los sensores son almacenados de forma histórica en el servidor que aloja dicha página, por lo que podemos ver su estado en días anteriores. El almacenamiento es totalmente gratuito y en concreto el servidor se llama www.emoncmsorg. Existe la posibilidad de montarnos nuestro propio servidor del tipo "emoncms" en nuestro propio sistema PC, o como hace mucha gente, en una pequeña rapsberry Pi. Esperemos que pronto haya algún ejemplo en el que todo esté integrado en un novísimo Arduino Yun.

La parte física del sistema de monitorización consta de momento de seis sensores y un relé, además del arduino y su placa Ethernet. Dos sensores van en el primer y último colector, lo que me ayudará (todavía no está implementado) a arrancar/parar el sistema en función del avance de sombra (recordemos que no estoy en campo abierto). Otro sensor me dice la temperatura exterior. Dos sensores adicionales me facilitan la temperatura en el tanque de agua, en la parte inferior y en la superior. El sexto me dice la temperatura interior de la casa, en concreto el sótano ahora(en un futuro será el salón). El relé me activa o desactiva la bomba en función de si la temperatura en los paneles es superior en 7 grados a la temperatura de la parte inferior del depósito.

En una prueba con 125 litros de agua (el tanque es de 250) obtuve en un día plenamente soleado las siguientes curvas:


Una vez te das de alta en www.emoncms.org, te puedes ir haciendo las páginas de monitorización. Por ejemplo, además de la mostrada (Gráficas temperatura), he creado ésta (Monitor):


También otra que me muestra los últimos valores (hasta una hora antes) de los sensores:

 
Y esta otra que me muestra la temperatura del colector 1, y la inferior del tanque, y cómo se activa/desactiva la bomba con el tiempo, a medida que se va cumpliendo o no la regla de los 7 grados.




Como se puede observar en esta última, la bomba permaneció parando y arrancando en esa prueba mucho tiempo, por lo que se deduce que el sistema es capaz de calentar mucha más cantidad de agua.

Lo mejor de todo esto es que se puede ver en tiempo real (actualizándose los datos cada 10 segundos)
En concreto, mi sistema se puede ver en:


Esto es todo por hoy, de momento... En próximos artículos veremos como se ha hecho el intercambiador de calor agua/aire (fijaros en la primera gráfica lo que sucedió con la temperatura de agua del tanque a partir de las 20:00...) También se verá la realización del serpentín de cobre (intercambiador agua-agua) con el que extraemos el calor del depósito hacia el intercambiador aire -aire mencionado, y más detalles que quedan por determinar.

Hasta la próxima !


 





miércoles, 27 de noviembre de 2013

Colectores solares de agua de bajo coste (low cost solar water collector). Montaje de la tapa transparente de policarbonato

Una vez montada la caja y el absorbedor, el último elemento que nos queda construir para poner en marcha nuestro colector solar de agua de bajo coste es la tapa transparente por donde penetrarán los ansiados rayos solares.

Para ello he empleado placa de policarbonato de doble capa. Su peso es mínimo comparado con el cristal, no sale muy caro, y es mucho más resistente y seguro. Está formada por canales paralelos o celdas, en este caso de 8 mm, dispuestos en dos capas, de manera que en espesor, ocupan 16 mm. De vez en cuando los ponen de oferta en los centros de bricolaje, ya que se suelen utilizar para la realización de tejadillos transparentes. Suelen venir en medidas de unos 2 x 1 m, idóneo para nuestros planes.También los hay de doble celda de 5 mm(10 mm en total de espesor)
Para que encaje en nuestra caja, debemos hacer un escalón, ya que los perfiles empleados tienen 3 cm de ancho, y el marco que vamos a utilizar es de 2 cm de ancho. Dicho marco será perfil en L de 2x2 cm, de los empleados en falso techo registrable. Viene pintado en negro, por lo que nos ahorramos ese paso.
Para hacer este escalón, por el lado largo de la placa, prestaremos mucho cuidado a no llegar a las celdas de la segunda capa cuando realicemos los cortes, bien por cutter, minitaladro, con disco de corte o similar (Al final lo mejor, más cómodo y rápido según mi experiencia, ha sido la radial).
La placa de policarbonato debe de estar (sus celdas), lo más hermética posible. En la primera versión de colectores empleé silicona para su sellado (en los extremos cortos), ya que la cinta adhesiva igual no me aguantaría bien las temperaturas que pueden alcanzarse en su interior de hasta 100ºC. En sucesivas versiones he decidido emplear otra técnica más contundente...

Lo que he hecho ha sido sellar al tiempo que rebajo las celdas (la capa más interior) mediante calor, empleando una pistola de decapado por calor. Estas máquinas las podemos encontrar muy baratas en almacenes de bricolaje y alcanzan hasta 600ºC de temperatura del aire. Se aplica este aire sobre el policarbonato y se derrite, fundiéndose y sellando la celda. De esta manera no habrá intercambio de aire por diferencia de temperatura y el rendimiento será mayor, aislando mucho mejor el interior del colector, pero dejando pasar la luz del sol.
Para no afectar a la capa de celdas externa, debemos construir una especie de peine que insertaremos en dicha capa mientras calentamos la otra. También debemos situar un listón de madera a modo de concentrador de calor a lo largo. Aplicamos la pistola y observaremos cómo se funde formando un arco. Con la ayuda de un trozo de madera vamos aplastando hasta dejarlo liso. En la siguiente secuencia de fotos se puede apreciar lo explicado.


Detalle del "peine" insertado en la fila inferior (la que dará al exterior) para impedir que el calor la afecte.


 El peine es de dm de 4 mm de espesor.

 Aquí vemos como la pistola de aire caliente deja  las celdas. Algún agujerito nos puede quedar...


En plena acción, con el calor las celdas se comban fundiéndose... Pero hay que ayudarlas con un trozo de madera hasta sellarlas por completo.




Para hacer el escalón hemos sellado una de las dos capas de celdas. Así pues, deberemos sellar la capa restante con silicona negra. Para amortiguar el impacto visual del derretido del plástico, podemos cubrir la zona afectada también con la misma silicona. Además taparemos también algún posible orificio que se nos haya creado al derretir el policarbonato.

Obsérvese el escalón lateral (a la izquierda de la imagen), tras haber cortado una de las filas de celdas..



Lo siguiente es confeccionar el marco. Como hemos indicado, es perfil del empleado en los falsos techos registrables. Marcar, cortar y doblar...
 




Ahora rellenamos con silicona y pegamos el policarbonato al marco.



Atornillamos a la caja del colector y ya está...


¡Ah ! Se me olvidaba... Hay que ubicar el soporte donde insertaremos el sensor de temperatura. Un tubo de cobre de 8 con el extremo aplanado. Lo pegamos con silicona  a la parte superior del absorbedor.
En esta foto se puede observar otra variante en la colocación del marco. Se ha pegado un marco de 1 cm, en lugar de rellenar con silicona.


Aquí vemos como queda el marco...

 Y el conjunto finalizado y boca abajo.
Un trozo de cartón sujeto con cinta en la parte inferior nos permitirá desplazarlo y ubicarlo donde menos moleste.


 Ya solo queda la instalación en el exterior... que el frío ha llegado ya...

miércoles, 18 de septiembre de 2013

Colectores solares de agua de bajo coste (low cost solar water collector). Confección del conjunto absorbedor-parrilla (y 2)

Como la hormiga, continuamos tras el verano con la construcción de colectores solares para calentar agua de calefacción y prepararnos para el invierno...

En la 2ª versión, en lugar de utilizar tubo corrugado empleé directamente el mismo tipo de chapa de aluminio de 0,5 mm. empleada para el absorbedor, ya que el coste era prácticamente el mismo, y me ahorraba el aplanado a golpes del tubo corrugado.
 
 
La principal pega del tubo corrugado es que seguramente y debido a las continuas dilataciones y contracciones, puede que se vayan separando las caras que inicialmente están juntas como consecuencia del aplanado.
 
Imagino que ganaré en rendimiento, pero el proceso es más laborioso, ya que el útil para hacer el canal ha de ser mucho más robusto. También el pegado y confección de la chapa acanalada se tiene que apoyar en una herramienta específica construida a partir de unas mordazas de presión a las que se les ha soldado un par de soportes en escuadra.
 
En definitiva, creo que las dos versiones de absorbedor van a presentar mínimas diferencias en cuanto a rendimiento, pero sí en cuanto a duración y mantenimiento, por lo que si alguien decide realizar estos colectores, es su decisión elegir una opción u otra.
 
Lo primero que hubo que hacer fue cortar la plancha de aluminio en tiras de 50 por 14 cm.
 
El útil empleado para realizar el canal es de este tipo:
 
 
Fue confeccionado con pesados ángulos en "L" de acero que fueron soldados con un pequeño equipo Inverter de soldadura eléctrica por arco voltaico. Esto me ha servido para aprender/iniciarme a soldar con este tipo de equipos. El redondo que da la forma al canal es de 15 mm de diámetro. El hueco central que forman los ángulos es de unos 16 mm. Las varillas son de 16 mm también, como es lógico.
 
 
Está basado en el sistema mostrado en esta página web:
 
 
Es más pequeño que el del holandés, ya que este es para planchas de 50 cm de largo.
El funcionamiento es sencillo: Se pone una plancha centrada en el útil:
 
 
 Luego la pieza que estampará el tubo formando el canal en "U".
 
 
Y se van apretando las tuercas al mismo tiempo que ayudamos a que se abran las "alas".
 
 
 
 
 Unos golpecitos para exagerar el punto de  plegado de las alas...
 
 
 
Con esto hemos conseguido que el canal, en forma de "U", o "C", pueda abrazar los tubos de cobre con una superficie de contacto del 50% aproximadamente.



El siguiente objetivo es aumentar esta superficie de contacto.  Para ello debemos confeccionar un útil basado en una mordaza de presión y dos escuadras o ángulos. Básicamente, debemos realizar un corte en el centro de las escuadras y soldar éstas a  las pinzas de la mordaza de modo que aumentemos la superficie de aprisionamiento.
 
 
 
Abrazamos el canal sobre el redondo de hierro y aplicamos la presión de la mordaza, obteniendo así una superficie de contacto cercana al 70 u 80 %.
 
 
 
Aquí se puede ver el efecto conseguido:
 
 
 
 
Luego hay que pegarla a la parrilla que previamente ha sido unida a la plancha absorbedora contínua con silicona. En la siguiente foto se ven los tubos inferiores con un ligero cordón que los une a la plancha. También la forma dada a los mismos al final, para que el tubo colector quede al mismo nivel.
 


 
 Aplicamos la silicona como hicimos en la otra variante de absorbedor:
 
 
 Extendemos la silicona con la espátula y la pegamos abrazando el tubo.
 
 
Tras el pegado, colocamos peso y esperamos a que seque, repasamos y aplicamos más silicona en zonas que no hayan quedado bien.
 
Saludos.
 

viernes, 28 de junio de 2013

Colectores solares de agua de bajo coste (low cost solar water collector). Confección del conjunto absorbedor-parrilla

Continuamos con la realización de un colector solar de agua casero y de bajo coste.
Hoy explicaré cómo he realizado la unión entre la parrilla de tubos de cobre y el absorbedor de aluminio. Como sabemos, éste último es el que se va a encargar de captar la energía radiada por el sol (calentándose),energía calorífica que tendremos que transferir al agua que circulará por los tubos del emparrillado de cobre. Este emparrillado actuará como si fueran capilares.
En la mayoría de páginas web lo que se hace es confeccionar una serie de chapas con un canal en forma de "omega" en el centro. A través de esta omega se abraza al tubo de cobre, y así se transfiere el calor captado por la chapa, al agua que va por los tubos. Estas omegas abrazan los tubos en un porcentaje que varía entre un 50% (cuando la omega no lo es realmente, sino que es una "U") a un 80 %, cuando es realmente una "omega" de verdad.
En mi caso he realizado una ligera variante. En la siguiente foto, en la parte superior se puede ver un corte del diseño realizado por mí, frente al convencional, en la parte inferior.

La razón principal de esta variante, que encarece un poco el coste del colector, es estética (verlo todo como una plancha uniforme), pero presenta una ventaja, y es que el absorbedor tiene mucha más superficie de intercambio con el tubo de cobre, concretamente un 100%.
 
Veamos cómo se ha realizado... Partimos de la chapa de aluminio de 0,5 mm de espesor que va a constituir el absorbedor. Por otro lado, tenemos tubo corrugado de aluminio del empleado en salidas de humos de campanas extractoras, de 100 mm de diametro. Estiramos y aplanamos bien dicho tubo, de manera que nos quede lo más similar a una plancha. Lo podemos hacer con un martillo de goma, y como las paredes de este tipo de tubo tienen aproximadamente 0,1 mm de espesor, obtendremos un espesor total de unos 0,2mm.


Pensé realizarlo, en una primera fase, con latas de bebida, y así reciclar, pero lo desestimé por el tiempo que me iba a emplear. Una vez estirado y aplanado este tubo corrugado, deberemos confeccionar el canal "omega". Para ello nos hacemos un útil de madera que forma un canal (el negativo).

Sobre el mismo situaremos cortes de esta plancha de corrugado, y con una varilla de metal de unos 12 mm, (en la versión 1.0 de estos colectores los tubos de cobre eran de ese diámetro, frente a los 15 mm empleados en la versión 2) prensaremos la plancha para darle la forma de canal.


Es el mismo procedimiento que se puede observar en muchas webs. Cuando hayamos realizado un total de unos 12 metros, nos dispondremos a pegarla al emparrillado y a la plancha.

 
Primero pegaremos el emparrillado de tubos de cobre a la plancha de 0,5. Emplearemos silicona, en concreto yo he empleado la marca XXXXXX, que soporta hasta 140 ºC. Es importante que el cobre no toque el aluminio directamente en ningún punto, sino que haya al menos una fina película de silicona, que evitará la corrosión galvánica. Pondremos peso para que la unión sea eficaz y dejamos secar.

 
Ahora es el momento de pegar las planchas con el canal omega abrazando los tubos.


Pegaremos primero por el canal, untando bien de silicona por los tubos y la repartiremos de manera que quede una película lo más fina posible. Una vez seco, pegaremos el resto, las "alas", a la plancha de aluminio principal. Recordemos que esta es la zona del interior, la que no se va a ver.


Colocaremos peso (bolsas con arena vienen muy bien, como base porque se amoldan a la forma, para colocar encima más peso) y dejaremos secar. El resultado es algo como esto:

 
Este es el proceso para la versión 1.0 de estos colectores. Es la manera más sencilla. En el próximo artículo explicaré como he realizado el absorbedor de la versión 2.0

¡ Saludos !