Inclinación que debe tener el colector

La inclinación recomendada en general es la latitud de la lugar más 10 grados o 15 grados. Por ejemplo la Ciudad de México está en la latitud 19 por lo que la inclinación de los colectores debe ser entre 30° y 35° considerando el ángulo mínimo para el ecuador de 15° para que la convección se realice y como máximo 45° para los extremos cercanos a los polos.
Para lograr la inclinación adecuada hay que calcular a que distancia se debe encontrar la parte superior del colector con respecto al piso, la fórmula para obtenerlo es Largo x seno A donde A es el ángulo de inclinación deseado.

Ejemplo paso a paso Zacatecas.

Obtener la latitud

Al buscar “coordenadas de zacatecas” uno de los resultados es de la wikipedia que nos indica que está en 23°17′34″N 102°42′02″O
Como la Latitud está al Norte o al Sur significa que el valor que buscamos es 23°17′34″N or es decir que está en 23° Latitud Norte

Obtener la inclinación del colector

Latitud 23° agregamos entre 10 y 15° por lo que la inclinación será entre 33° y 38°
o bien usaremos esta tabla.

Tabla: Inclinación del Colector de acuerdo a la Latitud del lugar
LatitudIncinación mínima (en grados)Inclinación Máxima (en grados)
0 – 415
51520
61621
71722
81823
91924
102025
112126
122227
132328
142429
152530
162631
172732
182833
192934
203035
213136
223237
233338
243439
253540
263641
273742
283843
293944
304045
314145
324245
334345
344445
> = 3545

Obtener la orientación del colector

Debido a que es Latitud Norte el colector solar debe estar orientado al Sur
Si es Latitud Sur, el colector se orienta hacia el Norte.

Obtener la inclinación del colector en centímetros

Ya tenemos los datos necesarios para determinar la altura del colector solar (la diferencia de altura entre un lado y otro del colector.

Altura del colector
 Altura del colector

Para Zacatecas el ángulo deseado de inclinación está entre 33° y 38°.
Por lo tanto Si el colector tiene 2 mts de largo entonces la (Ver la tabla del cálculo del seno que está adelante)
Altura mínima del colector = 2 mts * Seno(33°) = 2 mts * 0.5446 = 1.09 mts = 109 cm
Altura máxima del colector = 2 mts * Seno(38°) = 2 mts * 0.6157 = 1.23 mts = 123 cm
Tabla de Senos para calcular la altura del calentador solar.

Ángulo deseadoSenoÁngulo deseadoSenoÁngulo deseadoSeno
150.2588250.4226350.5736
160.2756260.4384360.5878
170.2924270.4540370.6018
180.3090280.4695380.6157
190.3256290.4848390.6293
200.3420300.5000400.6428
210.3584310.5150410.6561
220.3746320.5299420.6691
230.3907330.5446430.6820
240.4067340.5592440.6947
450.7071

Autor: Emilio Alvarez Peimbert
Publicado originalmente el: 2012-03-26 15:22:51
Actualizado: Angeles Alvarez Fecha 22 junio 2014

Preguntas frecuentes de los principios de física aplicados a un calentador solar

P: ¿Por qué se utiliza tubo de 1 pulgada en los cabezales?R: El motivo es principalmente económico, el costo de un tubo de 2″ o 2 1/2″ de cobre es significativamente más caro que el de 1″ y no creo que la diferencia de temperatura que se pueda lograr justifique el mayor costo.
No se debe utilizar uno menor ya que se dejaría muy poca separación a las paredes del tubo del cabezal.
P: ¿Que aborbe más calor: la placa pintada de negro o sin pintar?R: va a absorber más calor la lámina pintada de negro mate que si no está pintada, ya que refleja menos luz hacia fuera. No recomiendo que se pinte de negro brillante por el mismo motivo.
P: ¿Qué relación hay entre el calor especifico para un metal tanto en la absorción de calor como en la transmisión?R: la capacidad térmica se da en J/ºC y depende de cada material, y mientran mayor sea el calor específico del material más energía térmica requiere para incrementar la temperatura.si vemos la siguiente tabla de calores específicosSustancia C (cal/g ºc)Agua 1.00Hielo 0.55Vapor 0.50Aluminio 0.22vidrio 0.22Hierro 0.11
Si analizamos esta tabla vemos que la cantidad de calor para elevar 1 Kg. de agua es el doble al de un Kg. de vapor (en este caso se require saber que un Kg. de agua tiene la misma masa cuando se convierte en vapor o hielo) o necesitamos el 11% de calor para calentar un kilo de hierro o solo el 3.1% para el plomo.
Esto es distinto a la conductividad térmica, no tengo a la mano una tabla de conductividad térmica pero se que el alumnio es mejor coductor que el cobre y este que el hierro. sin embargo el aire y el agua tienen un comportamiento especial que requieren de un estudio distinto porque no son buenos transmisores del calor cuando están estáticos, pero si se ponen en movimiento lo transmiten, por eso es que se pone una caja invernadero (aire caliente) y se hace circular el agua para que tome el calor del tubo y este tome el calor del aire.
¿Porqué no se sale el agua por el jarro de aire en la versión1?R: Porque sigue el principio de vasos comunicantes. Si ves el diagrama puedes observar que todo el sistema es un gran sistema de vasos comunicantes y el nivel máximo corresponde al del tanque de alimentación (que se controla con un flotador o boya) y por ese motivo el jarro de aire debe llegar 20 cm arriba de este nivel.

Autor: Emilio Alvarez Peimbert
Publicado originalmente el: 2012-03-08 22:17:37

Física de los calentadores solares

1. Principios básicos de la física de un calentador solar:

El aire y el agua son malos conductores del calor, sin lo embargo absorben fácilmente; esto es: cuando están en contacto con una superficie más caliente o más fría sólo cambia de temperatura la superficie cercana a donde esta varía, por ejemplo: los refrigeradores comerciales que tienen dos vidrios en planos paralelos, dejando un espacio de aire entre ellos evitando que el frío salga. O aquellos que están en los supermercados abiertos en la parte superior aprovechando que el aire frío siempre está en las superficies más bajas.

a) Principio de convección:

Tanto el aire como el agua absorben el calor por contacto pero cualquiera de ellos debe estar en movimiento para transmitir la temperatura, como en el caso de los intercambiadores de calor, o los refrigeradores actuales que cuentan con un ventilador para mantener el frío.

Utilizando la convección en un calentador solar la temperatura máxima del que he obtenido a la salida de un colector es de 65°C

b) Efecto invernadero

El efecto invernadero es tan fácil como que el calor solar que entra a un lugar cerrado, se mantiene porque al no circular el aire, este no se disipa: Ej. el automóvil cerrado al rayo del sol tiene una temperatura superior a la del medio ambiente.

El panel del calentador solar está cubierto con un vidrio que permite la entrada de la luz solar, pero evita que el aire, por lo que la temperatura al interior de la caja del calentador solar es mayor que la del medio ambiente.

c) Vasos comunicantes

El líquido alcanza la misma altura en los diversos recipientes que se comunican entre sí sin importar la forma o el volumen que estos tengan, simpre y cuando todos estén llenos y no contengan en su interior aire o un líquido con distinta densidad dentro de ellos.

Para este caso, debo decir que el agua al calentarse aumenta su volumen y por lo tanto su densidad disminuye por lo que si colocamos una manguera transparente para medir al altura del agua en un tanque alimentador del colector y otro a la salida del colector cuando este esta frío veremos que los dos se encuentran al mismo nivel pero si el colector recibe los rayos solares, el agua se calienta y puede llegar a una temperatura entre 80 y 85 grados centigrados y si el colector tiene una capacidad de 9 lts. la diferencia entre los niveles es de 2 cm. aproximadamente, por lo es necesario que el termo-tanque esté cerrado para que esa diferencia de volumenes haga que el agua circule y se realize la convección.

d) Principio de densidad

Densidad=peso/volumen. Tenemos que

a mayor volumen menor densidad

a mayor temperatura mayor volumen

y por lo tanto a mayor tempratura menos densidad

entonces el agua caliente al ser un líqudo tiende a flotar. En un termotanque que tiene agua más fría y agua más caliente, el agua más fría está en una capa hasta abajo y el agua más caliente está otra capa hasta arriba y en medio hay capas de agua que cambian de temperatura dependiendo de que tan arriba y que tan abajo están en el tinaco. Esta diferencia es la que propicia la convección en un calentador solar.

e) Inclinación solar en el paralelo de la Cd. de México

El colector hay que orientarlo al sur ligeramente al oriente es decir, al sur-suroriente, y con una inclinación de 30° para que los rayos solares lleguen en forma perpendicular en la Cd. de Mexico , o lo que es lo mismo la altura vertical debe ser la mitad del largo del colector (esto es porque el seno de 30° es 1/2), para otras ciudades, la inclinacion dependeran del paralelo en que se encuentren, sin embargo siempre debe debe tener por lo menos una pequeña inclinacion.

f) Inclinación de un colector solar

Dependiendo del lugar donde se encuentre el colector solar la inclinación estará entre mínimo 15° y máximo 45°.

La orientación es aquella que le permita “mirar” al Ecuador, es decir si está en el norte que esté orientado al sur y si está en el sur que esté orientado al norte.

Para saber más acerca de la inclinación de los colectores soles ver Inclinación que debe tener el colector.

Autor: Emilio Alvarez Peimbert
Publicado originalmente el: 2012-03-08 17:50:05