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  • Enfoque termodinámico de la Energía Eólica

    el 2015/05/14 en Formación / eLearning, I & D / Innovación, Otras Energías

    Dada la importancia que reviste para el futuro energético de la humanidad las fuentes  renovables,  entre las que se destacan la solar y la eólica (ver Fig.1). También originada en la luz solar, resulta necesaria la realización  de una profunda y detallada  caracterización de cada una de ellas desde el punto de vista  termodinámico. Se alcanza así con estos análisis  una valoración mas cercana a la realidad de las posibilidades de cada fuente se energía, de sus ventajas y limitaciones. Un caso en el que esto se pone de manifiesto con particular evidencia es el de la energía eólica.

    BM05_F1_Molino_de_viento_Aerogenerador1

    Si se piensa ahora en un aerogenerador, se advierte al instante que este dispositivo opera, termodinámicamente, a un nivel máximo de gradación de la energía. Por otra parte, dada su disponibilidad en algunos puntos de la superficie de La Tierra en cantidades apreciables,  y  a partir de lo señalado anteriormente,  resulta evidente que la energía eólica presenta la muy atractiva característica de que se trata de la posibilidad de producir energía eléctrica en cantidades apreciables en el balance energético de un país.

    Resulta indudable que la energía  eólica ha resultado muy adecuada para la producción de energía eléctrica, lo que la equipara en este aspecto a las fuentes las convencionales y la nuclear. Parecería que con relación a la energía del viento todo está resuelto y todo se resuelve, pero no es así. La  producción  de electricidad a partir  de generadores eólicos  esta sometida a toda una serie de problemas, algunos los cuales  tienen su origen en el carácter aleatorio de la fuente. Un histograma vientos,   luego de ser aproximado por una distribución  gaussiana (Fig. 1),  tiene asociado un determinado nivel de incertidumbre  que es lo mismo que decir  de desinformación.

    BM05_F2_Distribución gaussiana

    Fig. 2. Distribución gaussiana.
    Un concepto propio de la teoría  de la información, no de la termodinámica clásica,  el de   entropía de una distribución, caracteriza  adecuadamente esta situación y contribuye a dar, sin dudas,  una visión objetiva  y realista del viento como fuente de energía. La desviación media cuadrática de la gaussiana resulta clave en esta determinación.   tienen su origen en el carácter aleatorio de la fuente. Un histograma vientos,   luego de ser aproximado por una distribución  gaussiana (Fig. 1),  tiene asociado un determinado nivel de incertidumbre  que es lo mismo que decir  de desinformación.
    Un recordatorio necesario
    La Segunda Ley de la Termodinámica, sin dudas, uno de los descubrimientos científicos más importantes del siglo XIX, subyace en la esencia misma de los procesos naturales.

     Por otra parte, una de las conclusiones más importantes  que se derivan de su  enunciado, constituidos por dos tesis independientes, específicamente de la primera de ellas, la referida a los procesos reversibles, es la existencia  de diferentes calidades o gradaciones de energía.  Una aplicación directa  de la clasificación  de Brillouin a las fuentes de energía  renovables más conocidas, arroja el siguiente resultado:

    1. Energía eólica y solar fotovoltaica (mecánica y eléctrica);
    2. Hidrógeno (química) a partir de la luz solar;
    3. Calentamiento de diversos tipos (calor).

    Los grupos son definidos en términos de calidad de la energía y, en este contexto,  el mecanismo de acción  de la II Ley se manifiesta del siguiente modo: los procesos  de conversión  de una forma de energía  superior a otra de inferior calidad transcurren espontáneamente,  que es lo mismo que decir sin compensación. Por el contrario,  las transformaciones energéticas en sentido inverso solo son posibles al precio de una compensación.

    El aerogenerador tiene lugar una convención de energía mecánica  en eléctrica. El viento tiene un intrínseco carácter aleatorio. Este carácter entrópico de la fuente eólica  afecta apreciablemente la fiabilidad operacional del sistema.

    Por otra parte la incertidumbre ligada a esta  característica del régimen de vientos puede ser descrita, mediante el concepto de entropía diferencial. La entropía diferencial, por el contrario,  se enmarca en la teoría  de la información, y como establece Dimitrev, es una medida  de la indeterminación  media de  una magnitud aleatoria.

    En una primera aproximación, esta idea puede ser entendida del modo siguiente: sea la salida del sistema de tal grado de aleatoriedad, que sean posibles  P  resultados de salida. Se dice entonces que la indeterminación viene dada por la expresión logarítmica:

    H  = log P                                                      (1)

    Ejemplo: sean 27 bolitas de aspecto exterior idéntico, Se conoce, sin embargo, que una de las bolitas es ligeramente más pesada que el resto del conjunto. De lo que se trata es de determinar el número mínimo de pesadas que es necesario realizar en una balanza de comparación, para detectar la bolita más pesada.

    Solución:

    De acuerdo con la formula  (1), evaluada para  P = 27, la indeterminación inicial es: H = log  27.

    Por otra parte, la incertidumbre eliminada en cada pesada es  log3, dado que tres son los resultados posibles de una pesada de comparación. De modo que el numero mínimo de pesadas viene dada por:

    BM05_F3_Fórmula
    y, por tanto, se tiene  n =  3.

    No resulta difícil comprobar que, efectivamente, agrupando inicialmente las 27 bolitas en tres grupos de nueve bolitas cada uno, el problema se resuelve en tres pesadas.

    Generalizando ahora el problema tratado anteriormente, se puede concluir que se trata de una aproximación sucesiva a la eliminación total de la incertidumbre inicial. En cada etapa, mediante la información se iba eliminando incertidumbre. Se trata de lo que se conoce como principio  Neguentropico de la información. Obviamente, neguentropia, en este contexto, es sinónimo de nivel de conocimiento sobre el sistema.

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    Colectores solares planos: características y parámetros

    el 2015/05/05 en Ingeniería / Consultoría, Solar Térmica

    Como parte de un estudio del comportamiento térmico de colectores solares planos para el suministro de agua caliente sanitaria en diferentes condiciones actinométricas y climáticas del planeta, se muestran tres instalaciones de colectores solares de uso generalizado, sus singularidades y parámetros que caracterizan su comportamiento térmico.  

    I.    Colectores solares planos en régimen forzado

    La principal características de las instalaciones en régimen forzado es que incluyen al menos una bomba para hacer circular el fluido de trabajo por el colector solar. En la Fig. 1 se muestra el colector solar y el esquema del sistema solar en régimen forzado.

     El sistema solar con colectores solares en régimen forzado  está compuesto por dos circuitos hidráulicos: el primero incluye a los colectores solares planos por cuyo interior circulara la sustancia de trabajo (en localidades con temperatura bajo cero se utiliza una solución acuosa anticongelante), bomba de circulación, centralita de control  y el tanque acumulador y el segundo contiene  un calentador de agua  como fuente auxiliar de energía,  una válvula de tres vías termostática que mezcla proporcionalmente agua fría de la red y agua caliente proveniente del tanque  para controlar  la temperatura del agua a la entrada del calentador auxiliar.

    B04F01_Colector solar plano en régimen forzado.

    Figura 1.  Colector solar plano y esquema del régimen forzado.

    II. Colector solar termosifónico

     La Fig. 2.  representa un colector solar termosifónico y el esquema de líneas de su instalación. Este tipo de sistema solar, generalmente, está compuesto por dos circuitos: uno el circuito solar entre el colector solar y el tanque acumulador puede llevar incorporado un  intercambiador de calor.  El segundo circuito es el de distribución del agua caliente sanitaria (ACS) a los puntos de consumo es similar al del sistema forzado.

    En estos sistemas el agua de red va directamente al tanque acumulador que puede tener intercambiador de calor o no en cuyo caso se calienta  directamente el agua del tanque. No tiene bomba de circulación ya que la circulación del fluido se produciría por convección natural debido a la diferencia de densidades, de ahí su nombre. Si fuese necesario por temperaturas menores de cero grado se utiliza en el primer circuito una solución acuosa anticongelante.

    B04F02_Colector solar termosifónico y esquema de líneas.

    Figura 2.  Colector solar termosifónico y esquema de líneas.

    III. Colector solar termoacumulativo

    La Fig. 3.  muestra un colector solar termoacumulativo y el esquema de líneas de su instalación. Los colectores solares termoacumulativos, también conocidos como autocontenidos, integrales  o compactos, incorporan en un mismo equipo las funciones de absorción de la energía solar y la de acumulación de la energía térmica, resulta más sencillo al no llevar incorporado ni bomba de circulación ni tanque termo exterior, como muestra el esquema de la Fig. 3. No requiere bombas de circulación para su uso.

    En este tipo de sistema solar está compuesto por un sólo circuito hidráulico. El agua de red va directamente al tanque termo-acumulador y de ahí al consumo. No tiene una bomba de circulación y si fuese necesario por las bajas temperaturas se utiliza opcionalmente una varilla de calefacción.  El colector solar termoacumulativo de cubierta mejorada  incorpora a la lámina de vidrio solar una lámina aislante transparente de  30 mm con el fin de minimizar las pérdidas de calor por la cubierta.

    B04F3_Colector solar termoacumulativo.

    Figura 3.  Colector solar termoacumulativo y su esquema de instalación.

    IV. Parámetros que caracterizan el comportamiento térmico

     El comportamiento térmico de los colectores solares se caracteriza por su curva de eficiencia [2]:

    B04F04_Eficiencia del colector solar plano

    La Tab. 1 muestra los valores de los parámetros del comportamiento térmico de los tres colectores solares estudiados. Para los colectores solares termoacumulativos hay que tomar en cuenta los valores promedios de la  irradiación y la diferencia de temperatura entre el agua al inicio  de su exposición a la radiación solar y el ambiente. La ecuación [1] de la eficiencia térmica del colector termoacumulativo viene dada por:

    B04F04_Eficiencia del colector solar termoacumulativo

    B04F04_Factor transmitancia_absortancia

    B04F04_Tabla1El término  puede expresarse en función de la incidencia normal, para cubierta de vidrio:

    V. Referencias

    1. Massipe Hernández, J.R. (2005). “Colectores solares termoacumulativos: Análisis numérico y experimental en regímenes estacionario y transitorio”. Tesis Doctoral. Universidad de Lleida. España.
    2. Duffie, J.A. and Beckman, W.A., (2006). “Solar engineering of thermal processes”. Editorial Mc Graw-Hill, 3er Edition.
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    Fotoconversión y Termoconversión de la luz solar

    el 2015/04/19 en Energía Solar Fotovoltaica, Formación / eLearning, I & D / Innovación, Solar Térmica

    La fotosfera y la constante de Stephan-Boltzmann

    La radiación solar que llega a la Tierra procedente del Sol, en forma de luz visible procede de la fotosfera solar. Aproximadamente, se trata de un emisor de radiación de cuerpo negro a una temperatura cercana a los 6000 K. En la descripción de este proceso de transferencia de calor, la ley de Stefan—Boltzmann, la cual describe la emisión de radiación, juega un papel esencial

     La obtención de la fórmula de la constante de Stephan –Boltzmann solo es posible mediante la aplicación de métodos propios de la física estadística. La termodinámica clásica no permite obtener este resultado, en rigor, solo permite concluir que el cuerpo negro emite energía por unidad de tiempo proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta T(K).

     La termodinámica estadística va más allá de esto, proporcionado la fórmula deseada. El efecto útil de este resultado, no consiste solo en  la obtención de la fórmula como tal, sino también en el hecho de que, a lo largo de la demostración, se puede apreciar con claridad el vínculo esencial existente entre las dos opciones de utilización de la luz solar como fuente de energía: la térmica y la fotovoltaica.  La solución de la integral (1) da como resultado:

    BM04r_F3_Fórmula1

    Nótese que se trata, hasta aquí de radiación en estado de equilibrio, por ejemplo radiación encerrada en una cavidad (ver Fig. 1).

    Sin embargo, ley de Stephan—Boltzmann se refiere a un proceso de emisión de radiación. Se trata de  un caso típico de un sistema en estado de desequilibrio en el que tiene lugar un proceso de transferencia de energía por radiación y establece que “un cuerpo negro emite radiación con una potencia emisiva hemisférica total, [W/m²] proporcional a la cuarta potencia de su temperatura”

    BM04r_F1Cavidad con radiación cuerpo negro equilibrio

    Fig. 1. Cuerpo negro en equilibrio.

    Sea la misma cavidad con radiación en equilibrio en su interior, en la que se ha practicado un orificio de forma que se ha convertido en un sistema emisor de radiación. Se conoce también que, de acuerdo con la teoría cuántica, los fotones viajan a la velocidad de la luz c y que estos abandonan la cavidad en proporción directa al diferencial de ángulo solido asociado a la dirección de su trayectoria,   obviamente, como una mitad de estos fotones va en una dirección y la otra en la contraria, resulta la expresión deseada:

    BM04r_F4_Fórmula2

    donde: es la constante de Stephan–Boltzmann y es  igual a 5,6704·10-8 Wm-2K-4.

    Esta expresión puede ser escrita de una forma diferente. Para ello es necesario introducir el concepto óptico de índice de refracción, el cual se define de acuerdo con la formula:

    BM04r_F5_Fórmula3

     En realidad se trata de la inclusión en el modelo del hecho físico de que la presencia de un medio dieléctrico de índice de refracción diferente de uno, modifica la expresión de la constante de Stefan–Boltzmann para el vacio, aumentando su valor. En el caso  de la fotosfera solar como emisor de radiación de cuerpo negro, se tiene n = 1.

    Interpretación física de la demostración: foto y termo conversión de la luz solar

     A los efectos de establecer una relación conceptual entre las dos formas básicas de utilización de la luz solar como fuente de energía, la térmica y la fotovoltaica, se pone de manifiesto el carácter integral de la emisión de energía térmica que describe la ley de Stefan—Boltzmann. Se trata de reparar en el hecho de que a la emisión de energía contribuyen todos los modos de vibración presentes en el espectro de emisión.

     Conceptualmente, la diferencia entre una forma u otra forma de conversión de la luz solar reside en el hecho de que la celda solar convierte la luz solar en energía eléctrica intervalo por intervalo de frecuencia, mientras el cuerpo que absorbe la luz, se calienta mediante un mecanismo fonónico y entonces emite radiación de acuerdo con la ley de Stephan-Boltzmann.

     Desde el punto de vista espectral, esto último lo hace ya integralmente, desentendiéndose de la distribución de frecuencias. Sin embargo, y esto es lo más importante, a ella contribuyen, como contribuyen también en el caso de la conversión fotovoltaica, los modos de vibración descritos anteriormente.

    Blog4r_F2_Colector y móduloFV

    Fig.2. Colector solar plano y módulo fotovoltaivo.

     Dado que se trata de una forma menos detallada de conversión, la cual lleva implícito cierto nivel de desinformación y, por tanto, un proceso de conversión de una forma de energía en otra que tiene lugar con mayor grado de irreversibilidad, resulta esperable que el resultado final sea menos valioso, calor a baja temperatura, en contraposición a la energía eléctrica producida por la conversión fotovoltaica; una energía de máxima gradación, energía eléctrica, la que resulta del proceso de fotoconversion de la luz solar.

     

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    Cerificadores solares para extraer cera de abejas

    el 2015/04/14 en Conservación Agro-alimentos, I & D / Innovación, Procesado de Alimentos, Solar Térmica

    Equipos solares para extraer cera de abejas

    Según comunicación del profesor Dr.Becquer Camayo, et al. [1]  de la Universidad Nacional del Centro de Perú de la ciudad de Huancayo, Junín [1], se realizo una investigación con el propósito de contar con un equipo solar optimizado llamado cerificador solar para extraer la cera de abejas de los panales.

    Existen diferentes procedimientos para extraer y purificar la cera entre los cuales está los tradicionales y con equipos solares. Lesser [2]  plantea que: La cera puede fundirse en baño María o simplemente colocando los pedazos de panal en un recipiente con agua puestas sobre el fuego, cuando la cera está líquida comienza a flotar y se vierte sobre moldes previamente preparados.

     La forma más práctica, limpia y económica se realiza por medio del fundidor de cera solar, que es una caja con tapa de vidrio [1].

    Funde la cera mediante el calor que acumula  estando en el sol. En la parte media y su interior tiene una bandeja en plano inclinado, de donde cae la cera, una vez fundida, en un molde. La cera extraída por el método solar siempre es de color claro, blanqueándose más a medida que está expuesta al sol.

    Se experimentó con cuatro prototipos de cerificadores, los cuales se muestran en las figuras siguientes:

    B03F1_Cerificadores solares de cera

    Fig. 1. Cerificadores solares  de cera con un vidrio y con dos vidrios.

    B03F2_Cerificador solar de cera

    Fig. 2. Extractores  solares de cera con un vidrio y reflector y  con dos vidrios y reflector.

    Para determinar el equipo óptimo según su rendimiento se  desarrolló ensayos experimentales considerando las magnitudes cantidad de cera extraída y el tiempo transcurrido por los prototipos  de cerificadores solares. La cera extraída o producida se caracterizó de acuerdo a las normas técnicas de control de calidad de ceras de abejas del laboratorio tecnológico del Uruguay (LATU).

    RESULTADOS

    El presente trabajo se llevó a cabo en las instalaciones de la ciudad universitaria de la Facultad de Ciencias Aplicas de la Universidad Nacional del Centro del Perú ubicado en Pomachaca del distrito de Tarma, Provincia de Tarma, situado a 3000 m.s.n.m. La realización de la fase experimental de los extractores de cera de abejas y los análisis  de la cera de abejas se realizó los meses de mayo y junio del año del 2014. Los resultados de la extracción con los cuatro tipos de extractores solares de cera se muestran en la Tabla.

    B03F6_Tabla1 de cerificadores solares de cera

    A fin de establecer la apariencia general de la cera de abeja obtenida de los diferentes tipos de cerificadores establecidos en la presente investigación se ha evaluado algunos parámetros como la solubilidad, olor, aspecto y sabor. En los cuatro prototipos se obtuvo una capa sólida y homogénea, un olor característico de la miel, un aspecto de sólido amorfo y un sabor característico.

       En trabajo [1] se concluye que:

    1. El equipo solar óptimo para la extracción cera de abejas es el cerificador que cuenta con una tapa de doble vidrio y espejo como reflector seguido por el cerificador con tapa de un vidrio y espejo como reflector.
    2. La cera de abejas extraída con los equipos solares tiene la calidad de acuerdo a las Normas de control de calidad de ceras de abejas del laboratorio tecnológico del Uruguay (LATU).
    3.  El equipo solar es una propuesta ambientalmente sostenible de aplicación de energías limpias para los apicultores por su bajo costo y facilidad de manejo constituyéndose una tecnología apropiada.

    Referencias

    1. Ruíz Romero, Norma;  Vilcahuaman Portada, Berenice; Dr. Becquer Frauberth Camayo Lapa, Becquer y Massipe Hernández, Juan Raúl. “Optimización de un equipo solar para extraer y caracterizar cera de abejas”.  XXI Simposio Peruano de Energía Solar, 10-14 de Noviembre. Piura, Perú.

     2. Lesser, R. (1998). Manual de la apicultura moderna. (2da. Ed). Chile: Universitaria.

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    por naRural

    Premios Odebrecht 2014 de Perú

    el 2015/04/09 en Energía Solar Fotovoltaica, Otras Energías, Solar Térmica

    P01_F01a_Premio OderbrechtLa 5ta edición del “Premio Odebrecht para el Desarrollo Sostenible”, iniciativa de la Organización Odebrecht llevó a cabo su ceremonia de premiación a los equipos ganadores de su 5ta edición, los cuales se impusieron a más de 100 proyectos de 38 universidades  por considerar en la génesis de sus propuestas las variables económica, ecológica y social.

    http://www.premioodebrecht.com.pe/system/posts/images/76/original/150401.jpg

    Sirvan estos premios para fomentar la investigación y la innovación de nuestros estudiantes en las energías renovables y las tecnologías sostenibles.

    Los dos equipos ganadores de la edición 2014 presentaron los siguientes proyectos:

    1. Iluminación solar y purificación de agua – Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Lima).
    2. Inti Muya – Universidad Católica Santo Toribio de Mogrovejo (Chiclayo).

    En el siguiente vídeo se muestra un resumen de los proyectos finalistas:

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    Sistemas solares en los Andes peruanos II

    el 2015/03/30 en Bioclimatismo, Blog, Calefacción y Refrigeración, Consejos en línea, Ingeniería / Consultoría, Otros Eficiencia Energética, Solar Térmica

    Cámaras Calientes 

    Según comunicación del profesor Dr.Ciro Espinoza de la Universidad Nacional del Centro de Perú  [1], “el Grupo de Energía Solar de la UNCP realizo una investigación con el objetico de determinar cuál es la configuración del sistema de calefacción que influye eficientemente en reducir el friaje en viviendas del alto-andinas [1].

    El frío impacta con mayor fuerza en los pobladores del alto-andinos, y con mayor razón en poblaciones pobres. Sin embargo, durante los meses de intenso frío el cielo es despejado con una relativa alta radiación solar que podría almacenaje para utilizarse durante las noches que es el momento donde las temperaturas bajan en extremo”.

    Beneficiados

    La cantidad de viviendas beneficiadas en este proyecto con la instalación de Muro Trombe o Cámaras Calientes para la calefacción son 31 vivendas ubicadas en los ditritos de San José de Quero y Yanacancha de las provincias de Concepción y Chupaca de la regón de Junín en el Perú.

    El muro Trombe 

    ¿Qué es un muro Trombe?

    Es un captador-acumulador-emisor de la energía solar cuya función es calentar espacios, cámaras, habitaciones durante la noche. En la Figura 1 se muestra en esquemas detalles de un muro Trombe y de la cámara caliente

    Muro Trombe y cámara caliente solar

    Fig. 1. Muro Trombe con pared y lecho de piedras.

    El muro Trombe está compuesto por una superficie transparente, de vidrio o de plástico, una cámara de aire y un acumulador másico de calor por calor sensible que puede ser una pared (muro) o un lecho de piedras, que permite durante el día solar  acumular la energía solar en forma de calor sensible para disipar este calor durante la noche.

    Detalles constructivos de la cámara caliente

    En las Figuras 2 y 3 se muestran detalles constructivos de las cámaras calientes del muro Trombe.

    Lecho de piedras de muro TrombeFig. 2. Lecho de piedras de las cámaras calientes.

    Cubierta transparente de muro Trombe

    Fig. 3. Cubierta transparente del muro Trombe.

    Condiciones ambientales y actinométricas

    En [1] se selecciono 6 viviendas de las 31 para realizar un estudio de su comportamiento térmico. Estas viviendas se encuentran ubicadas entre los 3652 msnm y 3900 msnm. Las horas de sol que recibe la cámara caliente varía en función de su orientación geográfica, este número oscilo entre 6 y 8 horas al día.

    Alturas solares en hemisferio surAl encontrarse las viviendas ubicadas en el hemisferio Sur de nuestro planeta, la menor altura solar de 54°se alcanza el 21 de junio y la mayor altura soalr de 101° el 21 de diciembre como se muestra en la Fig.4.

    Fig. 4. Alturas solares en Hemisferio Sur [1].

    Registro de temperaturas

    Según [1], el registro de las mediciones de las temperaturas de la cámara, habitación se realizó entre las 11:00 h y las 13:00 h medios a intervalos de 15 minutos. Durante la medición los conductos de aire estaban abiertas.

    Temperaturas en viviendas con muro TrombeEl promedio de las temperaturas se muestra en la Tabla 1. Estos resultados muestran que los muros Trombe con cámaras calientes mejoran las condiciones de vida de sus pobladores y por consiguiente su salud.

    Ejemplos de viviendas muro Trombe y cámaras caliente

    Muro Trombe_cámara caliente solar_Andés peruanos

    Referencias

    1. Espinoza Montes, C.A. “Sistema de calefacción solar para reducir el friaje en viviendas alto andinas”. Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional del Centro de Perú, 2014.
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