calentador solar de agua con posicionador electrónico - Iberchip.net

CALENTADOR SOLAR DE AGUA CON POSICIONADOR
ELECTRÓNICO .
Oliver Diego González Rodríguez.
oliverde@hotmail.com
Hernando Martell # 520 col. Lomas del Paradero
Universidad: Instituto Tecnológico De Estudios Superiores de Occidente, (ITESO).
Con este proyecto logramos un controlador
electrónico de posición confiable para la captación
de energía solar, ya sea para la producción de calor
o para la generación de energía eléctrica y
proponemos un calentador solar para la
demostración de su adecuado funcionamiento.
El controlador propuesto es un controlador
diferencial lumínico que determina la posición
relativa de la fuente de luz y por medio de un motor
eléctrico, el plano de captación gira para
permanecer perpendicular a la fuente de luz.
1. JUSTIFICACION
Un controlador de posición para la captación de
energía solar es muy útil, ya que nos provee una
optimización en la captación de tan valioso recurso
que hasta la fecha no ha sido aprovechado.
También llamado seguidor solar, tiene la
posibilidad de ser utilizado en instalaciones
industriales que tengan algo que ver en la
producción energética, ya sea eléctrica o calorífica.
2. CALENTADOR SOLAR
El calentador solar expuesto es un sistema que
funciona a base de concentración de luz solar por
medio de un plano paraboloide, el cual tiene como
ventaja principal la alta temperatura que puede
alcanzar.
Figura 1. Reflexión en un plano parabólico.
2.1. Plano paraboloide
En un plano parabólico y en todas sus formas, las
líneas que son paralelas al eje del plano y que tocan
con el lugar geométrico, por ley de la reflexión,
todas esas líneas convergen en el foco[1]. Esto nos
dice que todo lo que esta en línea recta de un plano
parabólico e intercepta su área, se concentra en el
foco de la parabólica, en este caso utilizamos la luz
solar.
2.2. Cálculos y diseño del plano:
El calculo del plano paraboloide esta dado por la
ecuación general de la parábola que es:
(x-h) 2 = 4a(y-k) [Ec. 1]
Como (h, k) es la coordenada del vértice
entonces, colocamos en el origen coordenado para
tener una referencia en el centro geométrico del
plano paraboloide entonces la ecuación queda así:
X 2 = 4ay [Ec. 2]
Donde “a” es la distancia focal, es decir, es la
distancia que hay del vértice al foco y es elegida
para hacer los cálculos, en este caso, para el
experimento realizado, es igual a 40 cm. De tal
manera que la ecuación particular del plano
paraboloide queda así:
Y = x 2 /160 [Ec. 3]
Después de dar valores a “x” y calcular sus
respectivas “y” se hace una tabla de valores y se
grafican sobre un plano de dimensiones reales en
centímetros para después poder hacer la gráfica y
poder comenzar a formar el plano.

+X Y
10 0.625
20 2.5
30 5.625
40 10.0
50 15.62
60 22.5
Tabla 1. Tabulación de la ecuación del plano (cm.)
3. CALCULOS ENERGÉTICOS
Para Determinar la energía solar que se recibe por
metro cuadrado de superficie se obtuvo como
referencia la cantidad de energía que llega a la
superficie de la atmósfera que el la constante solar
que equivale a 1400 joules / seg-metro cuadrado[2].
Esta cantidad de energía es la que llega a la capa
superior de ozono en la parte mas alta de nuestra
atmósfera y equivale aproximadamente a la energía
que requiere un motor de dos caballos de fuerza
para funcionar adecuadamente.
El día domingo 16 de mayo aproximadamente a
las 2:00 PM el sol estaba a 90º es decir cuando
estaba más intensa la energía recibida, se coloco
una masa conocida de cobre de 32 gr. con una área
de superficie de 11.44 cm2 expuesta directamente a
la luz solar, y con un termómetro para monitorear
su temperatura a una razón de dos tomas de
temperatura por minuto, de donde obtuvimos como
dato después de graficar el incremento de
temperatura con respecto al tiempo de exposición se
sacó un promedio de incremento de 4 ºC por
minuto. Y con este dato se puede llegar a calcular la
energía intercambiada[3] con la siguiente fórmula:
Donde:
Q = C M ? T [Ec. 4]
Q = cantidad de calor en joules
C = calor especifico = 0.390 J/gr. ºC (para el
cobre).
M = masa = 32 gr.
?T = incremento de temperatura = 4 ºC/min.
Q = (0.390)(32)(4) = 49.92 joules/min.
Respuesta:
49.92 joules por minuto en el área de 11.44
centímetros cuadrados del cobre y obteniendo la
relación, tenemos 727 joules por minuto en un
metro cuadrado de exposición solar, en un segundo.
Observe que ésta cantidad de energía es
aproximadamente la necesaria para que un motor de
un caballo de fuerza funcione con la energía
proveída por un metro cuadrado de exposición a la
luz solar.
El área del plano paraboloide es de 1.14 metros
lo que equivale a tener una captación de 829.0909
joules/seg. Mas de un caballo de fuerza !!!
Para darnos una idea de la cantidad de agua que
se puede calentar con esa energía se aplica otra vez
la ecuación Q = C M ? T, y si despejamos la masa
y ponemos varios valores de incremento de
temperatura se pueden obtener los siguientes
valores para temperatura y agua por hora
(suponiendo que la toma de entrada sea de 20ºc):
M = Q/(C? T)
M = 2984727.24 j/hr
(4.19 j/gr ºC)(? T)
litros T Final ? T
35.617 40ºC 20ºC
23.744 50ºC 30ºC
17.808 60ºC 40ºC
14.246 70ºC 50ºC
11.872 80ºC 60ºC
10.176 90ºC 70ºC
9.372 96ºC 76ºC
Tabla 2. Cantidades logradas en 1 hora.
La tabla 2 nos dice que con la cantidad de energía
solar recibida en 1.14 metros cuadrados podemos
elevar la temperatura de agua de 20°C a un
temperatura final marcada en la tercer casilla la
cantidad de litros de la primer casilla.
De esta manera la temperatura de salida del agua
se puede controlar regulando el caudal de entrada
de agua, lo que nos brinda mas facilidad en la
utilización de éste calentador.
4. CONTROL DE POSICION
4.1. Objetivo del control:
Este calentador debe llevar un controlador de
posición que se retroalimenta con la posición del
sol, de ésta forma, cuando el sol cambie de

posición, el controlador deberá detectar el cambio
por mínimo que sea y corregirá la posición angular
del plano de captación, de lo contrario se tendrán
perdidas energéticas.
4.2. Análisis del control:
Primeramente se debe de idear la forma en la cual
un sistema electrónico pueda determinar donde se
encuentra una fuente luminosa como en este caso lo
es el sol por lo tanto lo que vamos a sensar va a ser
una diferencia de intensidad de la luz incidente en
dos sensores del mismo tipo separados por una
4.3. Diseño del control:
Para detectar una diferencia de luz, los sensores se
escogieron dé tal manera que la resistencia de cada
uno sea proporcional a la luz incidente y con este
principio se ponen en un puente de weatstone
alimentado con + 12 volts para que la salida
diferencial sea positiva o negativa con respecto a
tierra según sea el sensor con exceso de luz.
El controlador empleado es un controlador
proporcional con una ganancia de 2000, lo que
aumenta la sensibilidad a los cambios de luz. Los
sensores se montan en un puente de weatestone, y el
voltaje diferencial resultante lo toma el
amplificador[4], la retroalimentación del circuito es
por medio de la posición. La etapa de potencia del
controlador es por medio de relevadores, uno que se
acciona con voltaje positivo, para girar el motor en
un sentido, y otros dos que se accionan con voltaje
negativo, éstos últimos para invertir la polaridad de
alimentación del motor, de esta manera gira hacia el
otro sentido.
La disposición de los sensores se muestra en la
figura 2, donde se indica el sentido de giro para
alcanzar la misma cantidad de luz en los dos
sensores, la figura 3 muestra el diagrama completo
del controlador.
Figura 2. Disposición de sensores.
4.5. Diagrama del controlador.
Figura 3. Diagrama total del controlador.
5. BIBLIOGRAFÍA
[1] I. Suvorov, “Calculo Diferencial e integral con
Geometría analítica”, PISA, pp.62-64, 1983.
[2] Diccionario Enciclopédico Salvat, tomo 5 pp.
1187, 1981.
[3] Zundahl, “Fundamentos de Química”, Mc.
Graw Hill, pp.72-73, 1992.
[4]Robert F Coughlin, “Amplificadores
operacionales y circuitos integrados lineales”,
Prentice hall, pp.120-123, 1993.