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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO “DISEÑO TERMODINÁMICO DE UN CALENTADOR SOLAR DE AGUA PARA USO RESIDENCIAL” TESIS PROFESIONAL QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECÁNICO PRESENTA: ALFREDO JOZABHAD ANDRADE JIMÉNEZ ASESORES: M. EN C. FREDY DONÍS SÁNCHEZ ING. GERARDO IRVING ARJONA RAMÍREZ INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Índice. Contenido Página Objetivo. ............................................................................................................................ X Justificación. ..................................................................................................................... X Introducción. .................................................................................................................... XI CAPITULO 1. Fundamentos Básicos .............................................................................. 1 1.1.El Sol. ........................................................................................................................ 2 1.1.1.La constante Solar. ............................................................................................ 2 1.2. Radiación Solar ....................................................................................................... 3 1.2.1. Interacción de la Radiación Solar con la Atmosfera..................................... 3 1.2.2. Absorción ......................................................................................................... 4 1.2.3. Reflexión........................................................................................................... 4 1.2.4. Irradiancia......................................................................................................... 5 1.3. Métodos de medición. ............................................................................................ 5 1.3.1. Piranómetro. ..................................................................................................... 5 1.3.2. Piranómetro Térmico ....................................................................................... 6 1.3.3. Piranómetro Fotovoltaico ............................................................................... 6 1.3.4. Heliógrafo .......................................................................................................... 7 1.3.5. Actinómetro ...................................................................................................... 8 1.4 Efecto Invernadero .................................................................................................. 9 1.4.1. Gases con efecto invernadero ...................................................................... 10 1.4.2. Consecuencias del cambio climático .......................................................... 11 1.5.Aprovechamiento de la energía solar. .................................................................. 12 1.5.1.Captación de la energía solar. ........................................................................ 12 1.5.2. Sistemas Solares Pasivos. .......................................................................... 13 1.6. Colectores planos. .............................................................................................. 15 1.6.1. Tipos de colectores planos. ........................................................................ 16 1.7. Colectores Concentradores. .............................................................................. 16 1.7.1. Colectores concentradores para la conversión térmica a temperaturas medias. ...................................................................................................................... 17 1.7.2. Colectores concentradores para la conversión térmica a altas temperaturas. ............................................................................................................ 18 1.8. Subsistema de distribución y almacenamiento. .............................................. 19 INGENIERÍA MECÁNICA Página I INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO 1.9. Almacenamiento por calor sensible o capacidad calorífica. .......................... 19 1.9.1. Almacenamiento en agua.............................................................................. 20 1.9.2. Almacenamiento en piedras o rocas........................................................... 20 1.9.3. Almacenamiento por calor latente o cambio de fase.. ............................... 20 1.9.4. Almacenamiento en estanques solares. ...................................................... 21 1.9.5.Almacenamiento por reacciones químicas. .................................................. 21 1.10. Conversión eléctrica: sistemas fotovoltaicos............................................... 22 1.11.Aplicaciones reales y potenciales de la energía solar. ..................................... 24 1.11.1.Calefacción de agua doméstica. .................................................................. 25 1.11.2. Acondicionamiento térmico de albercas. ............................................... 25 1.11.3. Secado Solar. ............................................................................................ 26 1.12.Bomba de calor. ................................................................................................... 27 1.13.Energía solar en México. ..................................................................................... 27 CAPITULO 2. Propiedades Físicas en Materiales ........................................................ 29 2.1.Densidad. ................................................................................................................ 30 2.2. Conductancia y resistencia. ................................................................................ 30 2.2.1.Origen molecular de la conductividad. .......................................................... 31 2.2.2.Coeficiente de conductividad térmica. .......................................................... 31 2.3. Valor R. .................................................................................................................. 31 2.4. Mejores materiales conductores. ....................................................................... 32 2.4.1. El Cobre. ......................................................................................................... 32 2.4.2. El Aluminio. .................................................................................................... 33 2.4.3. La Plata. .......................................................................................................... 35 2.5.Materiales aislantes. .............................................................................................. 36 2.5.1.Productos aislantes resistivos. ...................................................................... 36 2.6. Mejores materiales aislantes. .............................................................................. 38 2.6.1. Lana de roca. .................................................................................................. 38 2.6.2.Lana de vidrio. ................................................................................................. 39 2.6.3. Poliestireno Expandido (EPS) ...................................................................... 40 2.6.4. Espuma celulósica. ...................................................................................... 40 2.6.5.Espuma de polietileno. .................................................................................... 41 2.6.6. Espuma de poliuretano. ................................................................................41 2.6.7.Espuma elastomérica. ..................................................................................... 41 2.6.8.Corcho. ............................................................................................................. 42 INGENIERÍA MECÁNICA Página II Contenido Página INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO 2.6.9. Fibra de vidrio. ............................................................................................... 42 2.7. Calor específico. ................................................................................................... 43 2.8. Calor específico volumétrico. ............................................................................. 43 2.9. Capacidad térmica. .............................................................................................. 44 2.10.Absortividad y absortancia. ................................................................................ 44 2.11.Emisividad. ........................................................................................................... 45 2.11.1.Cuerpo Gris. ................................................................................................... 46 2.11.2. Cuerpo Negro. .............................................................................................. 46 2.12.Reflectividad y reflectancia. ................................................................................ 47 2.13.Rugosidad. ............................................................................................................ 47 2.14. Convección. ........................................................................................................ 47 2.16. Selección de materiales. .................................................................................... 49 CAPITULO 3. Memoria de cálculo y diseño termodinámico ....................................... 50 3.1. Consumo de agua caliente en una casa mexicana. .......................................... 51 3.2. Consideraciones previas. .................................................................................... 52 3.3. Dimensionamiento del calentador solar............................................................. 53 3.3.1. Cálculo de la capacidad del colector. ........................................................... 54 3.4. Balance de energía. .............................................................................................. 58 3.5. Coeficiente total de transferencia de calor. ....................................................... 59 3.5.1. Coeficiente de transferencia de calor en el fondo. ..................................... 59 3.5.2. Coeficiente de transferencia de calor en la superficie. .............................. 60 3.5.4. Coeficiente de convección entre la cubierta y el firmamento. ................... 60 3.5.5. Coeficiente de convección entre la placa y el colector. ............................. 61 3.5.6. Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la cubierta y el aire ambiente......................................................................................................... 61 3.6. Calor útil. ............................................................................................................... 63 3.6.1. Producto absortancia - transmitancia.......................................................... 63 3.6.2. Calculando la eficiencia de la placa absolvedora. ...................................... 65 3.6.3. Calor útil en términos de las temperaturas ambiente y del fluido. ............ 66 3.6.4. Factor de eficiencia de remoción de calor. ................................................. 67 3.6.5. Calor útil transferido al fluido. ...................................................................... 67 3.6.6. Temperatura máxima del colector. ............................................................... 67 3.7. Cálculo de la eficiencia del calentador solar. .................................................... 68 3.8. Calculo del tanque térmico.................................................................................. 68 INGENIERÍA MECÁNICA Página III Contenido Página INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO CAPITULO 4. Costo unitario del Equipo ....................................................................... 71 4.1. Materiales para la construcción del calentador solar. ...................................... 72 4.2. Precio del material para construir el calentador solar. ..................................... 72 4.3. Consumo de gas para el calentamiento de agua. ............................................. 74 4.4. Consumo de agua caliente. ................................................................................. 75 4.5. Tiempo para recuperar la inversión. ................................................................... 77 Conclusiones. .................................................................................................................. 78 Referencias Bibliográficas. ............................................................................................. 79 Glosario. ........................................................................................................................... 80 INGENIERÍA MECÁNICA Página IV Contenido Página INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Índice de Figuras. Figura 1. 1 Constante Solar ................................................................................................. 2 Figura 1. 2 Distribución de la Radiación .............................................................................. 3 Figura 1. 3 Piranómetro ....................................................................................................... 5 Figura 1. 4 Heliógrafo. ......................................................................................................... 7 Figura 1. 5 Tipos de bandas para Heliógrafo. ...................................................................... 8 Figura 1. 6 Pirheliómetro Ángstrom. .................................................................................... 9 Figura 1. 7 Diagrama Efecto Invernadero. ........................................................................... 9 Figura 1. 8 Calentamiento Global. ..................................................................................... 11 Figura 1. 9 Variación de Temperatura Global. ................................................................... 12 Figura 1. 10 Diferentes tipos de Energía Solar Pasiva. ..................................................... 14 Figura 1. 11 Colectores planos. ......................................................................................... 15 Figura 1. 12 Colectores Concentradores. .......................................................................... 17 Figura 1. 13 Heliostatos. .................................................................................................... 18 Figura 1. 14 Silicio. ............................................................................................................ 22 Figura 1. 15 Sistema Fotovoltaico. .................................................................................... 22 Figura 1. 16 Paneles fotovoltaicos en serie. ...................................................................... 23 Figura 1. 17 Aprovechamiento de energía solar en una casa. ........................................... 24 Figura 1. 18 Diagrama de la bomba de calor. .................................................................... 27 Figura 2. 1 Panel rígido de lana de roca. ........................................................................... 38 Figura 2. 2 Fragmento de poliestireno expandido.............................................................. 40 Figura 2. 3 Estructura química del polietileno. ................................................................... 41 Figura 2. 4 Espuma de poliuretano de alta densidad. ........................................................ 41 Figura 2. 5 Corte de tronco de alcornoque mostrando la capa de corcho. ........................ 42 Figura 2. 6 Tapón de corcho. ............................................................................................. 42 Figura 2. 7 Fibra de vidrio. ................................................................................................. 43 Figura 3. 1 Partes del calentador solar. ............................................................................. 53 Figura 3. 2 Corte intermedio del calentador solar. ............................................................. 56 Figura 3. 3 Flujos de calor en el calentador solar. ............................................................. 58 Figura 3. 4 Circuito térmico para un colector plano con dos cubiertas.1............................ 59 Figura 3. 5 Entradas y salidas de agua.............................................................................. 69 Figura 3. 6 Flujo de agua, colector solar - termo tanque.................................................... 70 INGENIERÍA MECÁNICA Página V Contenido Página INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Índice de Tablas. Tabla 1. 1 Gases con efecto Invernadero. ......................................................................... 10 Tabla 2. 1 Conductividades térmicas de diversos materiales en W/(m K) ......................... 31 Tabla 2. 2 Propiedades del cobre. ..................................................................................... 33 Tabla 2. 3 Propiedades del aluminio. ................................................................................. 34 Tabla 2. 4 Propiedades de la plata. ................................................................................... 35 Tabla 2. 5 Propiedades superficiales selectivas para aplicaciones de energía solar. ........ 45 Tabla 3. 1 Tubo de cobre “Tipo M” .................................................................................... 53 Tabla 3. 2 Irradiación en un día típico en un clima Templado ............................................ 56 Tabla 4. 1 Costo total para construir un calentador solar................................................... 74 INGENIERÍA MECÁNICA Página VI Contenido Página INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Nomenclatura. 𝐀𝐀𝐜𝐜 Área del colector. (m2) 𝑨𝑨𝒆𝒆 Ahorro anual de energía (KJ/año) 𝑪𝑪𝒑𝒑 Calor especifico del agua a presión constante. ( Kj KgK ). D Diámetro del tubo. (m), (pulg) 𝐃𝐃𝐢𝐢 Diámetro interior del tubo. (m), (pulg) F Factor de eficiencia de una superficie plana. 𝐅𝐅´ Factor de eficiencia del colector. 𝐅𝐅𝐑𝐑 Factor de eficiencia de remoción de calor. 𝐇𝐇𝐓𝐓 Radiación global incidente. (W m2)⁄ L Espesor del vidrio. (m) La Espesor del aislante. (m) Lea Cantidad de energía requerida en el agua caliente. (KJ dia)⁄ M Altura del colector. (m) Mc Cantidad de agua caliente requerida. (lt dia)⁄ 𝐍𝐍 Numero de cubiertas de vidrio. P Perímetro del colector. (m) 𝐏𝐏𝐝𝐝 Reflectancia difusa. 𝐐𝐐𝐃𝐃 Calor demandado. (MJ) 𝑸𝑸𝒔𝒔 Cantidad de calor que se consume en forma de combustible. (GLP) R Resistencia térmica por unidad de área de la capa de material. (m2°C W⁄ ) RS Radiación solar total durante el día. (𝑊𝑊 𝑚𝑚 2)⁄ , ((𝑀𝑀𝑀𝑀 𝑚𝑚2)⁄ S Radiación que llega al colector solar. (𝑊𝑊 𝑚𝑚 2)⁄ , ((𝑀𝑀𝑀𝑀 𝑚𝑚2)⁄ T Tiempo de retorno de la inversión (años) Ta Temperatura ambiente. (°C), (K) Tb Temperatura de la placa. (°C), (K) 𝐓𝐓𝐜𝐜 Temperatura de la cubierta. (°C), (K) 𝐓𝐓𝐟𝐟 Temperatura del fluido. (°C),(K) 𝐓𝐓𝐟𝐟𝐟𝐟 Temperatura del fluido a la entrada. (°C), (K) 𝐓𝐓𝐟𝐟𝐢𝐢𝐟𝐟. Temperatura efectiva del firmamento. (°C), (K) 𝐓𝐓𝐟𝐟𝐟𝐟 Temperatura del fluido a la salida. (°C), (K) 𝐓𝐓𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟 Temperatura máxima del fluido. (°C), (K) INGENIERÍA MECÁNICA Página VII INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO 𝐓𝐓𝐟𝐟 Temperatura de la superficie solida. (°C), (K) 𝐓𝐓� Temperatura promedio. (°C), (K) 𝐔𝐔𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐟𝐝𝐝𝐟𝐟 Coeficiente de transferencia de calor en el fondo. (W m2K)⁄ 𝐔𝐔𝐟𝐟𝐬𝐬𝐬𝐬. Coeficiente de transferencia de calor en la superficie. (W m2K)⁄ 𝐔𝐔𝐥𝐥 Coeficiente de transferencia de calor en los lados. (W m2K)⁄ V Velocidad del viento. m s⁄ e Espesor de la capa de material. (m) f Coeficiente de película con el numero de cubiertas. h Convección. (W m 2°C)⁄ , (W m2K)⁄ 𝐡𝐡𝐟𝐟 Coeficiente de convección interface tubo – fluido. (W m2°C)⁄ , (W m2K)⁄ 𝐡𝐡𝐬𝐬−𝐜𝐜 Coeficiente de convección entre la placa y el colector. (W m 2°C)⁄ , (W m2K)⁄ 𝐡𝐡𝐟𝐟,𝐬𝐬−𝐜𝐜 Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la placa y la cubierta. (W m 2°C)⁄ , (W m2K)⁄ 𝐡𝐡𝐟𝐟,𝐜𝐜−𝐟𝐟𝐢𝐢𝐟𝐟 Coeficiente de convección entre la cubierta y el firmamento. (W m 2°C)⁄ , (W m2K)⁄ 𝐡𝐡𝐰𝐰 Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la cubierta y el aire ambiente. (W m 2°C)⁄ , (W m2K)⁄ 𝐊𝐊 Conductividad térmica. (W m°C)⁄ , (W mK)⁄ 𝐤𝐤𝐟𝐟 Conductividad térmica del aislante. (W m°C)⁄ , (W mK)⁄ k´ Coeficiente de extinción. (m) M Peso específico del agua. (Kg) �̇�𝐟 Flujo másico. (Kg s⁄ ) q Transferencia de calor por unidad de área. (W m2)⁄ 𝐪𝐪´𝐜𝐜𝐟𝐟𝐟𝐟𝐝𝐝 Flujo de calor por conducción. Watts 𝐪𝐪´𝐟𝐟𝐟𝐟𝐝𝐝 Flujo de calor por radiación. Watts 𝐪𝐪´𝐬𝐬𝐮𝐮𝐢𝐢𝐥𝐥 Calor útil. Watts w Separación entre tubos. (m) Letras griegas α Transmitancia. 𝛅𝛅 Espesor de la aleta. (m) ε Emisividad. 𝛆𝛆𝐠𝐠 Emitancia del vidrio. 𝛆𝛆𝐬𝐬 Emitancia de la placa. 𝓵𝓵 Espacio entre tubos. (cm) INGENIERÍA MECÁNICA Página VIII INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO 𝐟𝐟𝐟𝐟 Índice de refracción del vidrio. σ Constante de Bottzman. (J/K) τ Absortancia. 𝛉𝛉𝐢𝐢 Angulo de incidencia de radiación. Grados 𝛉𝛉𝐟𝐟 Angulo de refracción. Grados ∆𝐓𝐓 Diferencia de temperatura. (°C), (K) INGENIERÍA MECÁNICA Página IX INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Objetivo. Diseñar un calentador solar de agua para uso doméstico con la capacidad suficiente para el aseo personal de seis usuarios. Tomando en cuenta los materiales con mejores propiedades para obtener una buena eficiencia. Justificación. Con la instalación de un calentador solar adecuado a nuestras necesidades, podemos satisfacer la mayor parte de los requerimientos de agua caliente de nuestra casa, sin tener que pagar combustible, pues utilizar la energía solar no nos cuesta. El uso de los calentadores solares permite mejorar en forma importante nuestro entorno ambiental. Cómo los problemas de la contaminación en las zonas urbanas no sólo son provocados por los combustibles utilizados en el transporte y en la industria, sino también por el uso de gas L.P. en millones de hogares, lo cual contribuye en conjunto al deterioro de la calidad del aire y la emisión de gases de efecto invernadero, con graves repercusiones que afectan a nuestro medio ambiente. INGENIERÍA MECÁNICA Página X INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Introducción. Un calentador solar es un aparato que utiliza el calor del sol para calentar alguna sustancia, como puede ser agua, aceite, salmuera, glicol o inclusoaire. Su uso más común es para calentar agua para uso en albercas o servicios sanitarios (regadera, lavado de ropa o trastes etc.) tanto en ambientes domésticos como hoteles. Son sencillos y resistentes, pueden tener una vida útil de hasta 20 años sin mayor mantenimiento. En muchos climas un calentador solar puede disminuir el consumo energético utilizado para calentar agua. Tal disminución puede llegar a ser de hasta 50%-75% o inclusive 100% si se sustituye completamente, eliminando el consumo de gas o electricidad. Aunque en muchos países, por lo general en vías de desarrollo con unos climas muy propicios para el uso de estos sistemas, no los utilizan debido al costo inicial que se debe de cubrir para calentar la primera gota de agua. La eficiencia para captar la energía solar es muy elevada en los calentadores solares. Dependiendo de la tecnología y materiales implementados, puede llegar a tener eficiencias de 70% u 80%. No debemos confundirnos con el panel fotovoltaico, el cual no se utiliza para calentar substancias, sino para generar electricidad a partir de la luz. El colector también llamado captador solar o panel termo solar. Es la componente que se encarga de transferir la energía solar al agua. Consiste en un arreglo de tuberías o conductos por donde fluye el agua. El arreglo puede estar pintado de negro mate o cubierto con pinturas selectivas como el cromo negro para evitar reflejar la luz y así lograr una mayor absorción de calor. El colector suele estar contenido en una caja con paredes externas resistentes a la intemperie y con paredes internas dotadas de aislamiento térmico. La parte superior lleva uno o varios vidrios o materiales transparentes capaces de dejar pasar la luz y proteger de la intemperie, utilizados para generar efecto invernadero dentro el colector. Existen diferentes variantes de colector: • Tubos y Placas. En el llamado colector plano, se disponen dos tubos horizontales y se conectan con varios tubos verticales. Cada uno de estos tiene acoplada una placa normalmente de lámina delgada. Las láminas sirven para captar el calor y transmitirlo por conducción a la tubería. El arreglo de tubos se coloca horizontalmente sobre el suelo, con una inclinación específica dependiendo de la localidad terrestre. El agua entra por uno de los extremos del tubo horizontal más bajo, sube por todos los tubos verticales y sale por el extremo contrario del tubo horizontal más alto. • Serpentín. Una manguera o tubo se dispone en una formación de vaivén o espiral. La superficie expuesta al sol recibirá la energía directamente sobre el conducto. INGENIERÍA MECÁNICA Página XI http://es.wikipedia.org/wiki/Calor http://es.wikipedia.org/wiki/Sol http://es.wikipedia.org/wiki/Agua http://es.wikipedia.org/wiki/Aceite http://es.wikipedia.org/wiki/Salmuera http://es.wikipedia.org/wiki/Glicol http://es.wikipedia.org/wiki/Aire http://es.wikipedia.org/wiki/Alberca http://es.wikipedia.org/wiki/Vida_%C3%BAtil http://es.wikipedia.org/wiki/Consumo_energ%C3%A9tico http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico http://es.wikipedia.org/wiki/Polarizaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica%23Obtenci.C3.B3n_de_luz_polarizada http://es.wikipedia.org/wiki/Cromo http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernadero http://es.wikipedia.org/wiki/Conducci%C3%B3n INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO • Tubos de vacío. El colector utiliza tubos de vidrio al vacío. Dentro de los tubos se encuentran los conductos del colector. El vacío previene los fenómenos de conducción y convección, aumentando la eficiencia pero también el costo. Existen también otros tipos de colectores que alcanzan mayores temperaturas: • Concentradores parabólicos, consistentes en un arreglo de espejos en forma de cilindro parabólico que reflejan la energía solar hacia un solo conducto lineal por donde pasa una sustancia capaz de calentarse a temperaturas alrededor de los 300ºC. La variante llamada plato parabólico concentra la energía en un punto en lugar de una línea como en el caso del concentrador parabólico. Las temperaturas alcanzables con este colector pueden superar los 650ºC. INGENIERÍA MECÁNICA Página XII http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_solar_de_tubos_de_vac%C3%ADo http://es.wikipedia.org/wiki/Conducci%C3%B3n http://es.wikipedia.org/wiki/Convecci%C3%B3n http://es.wikipedia.org/wiki/Cilindro_parab%C3%B3lico http://es.wikipedia.org/wiki/Cilindro_parab%C3%B3lico http://es.wikipedia.org/wiki/Cilindro_parab%C3%B3lico http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Plato_parab%C3%B3lico&action=edit&redlink=1 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO CAPÍTULO I. Fundamentos Básicos La energía solar es llamada energía renovable o limpia por ser el calor y luz emitidos por el sol y captadas por nosotros mediante un sistema colector para obtener energía térmica o eléctrica. Sería poco racional no aprovechar por todos los medios posibles esta fuente de energía gratuita, limpia e inagotable, que puede librarnos definitivamente de la dependencia del petróleo. INGENIERÍA MECÁNICA Página 1 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO 1.1. El Sol. El Sol es una esfera gaseosa con un diámetro de 1 391 000 km. La Tierra da vueltas alrededor del Sol siguiendo una órbita elíptica de la cual el Sol ocupa un foco, la distancia media de la Tierra al Sol es de 149 450 000 km. Es mínima hacia el 15 de Enero y máxima a fines de Junio. El Sol no es una esfera homogénea. Se pueden distinguir tres regiones principales: • El interior: Donde se crea la energía por reacciones termonucleares y que es inaccesible a las investigaciones pues toda la radiación emitida en esta región es totalmente absorbida por la fotósfera. La temperatura llega a varios millones de grados y la presión es de miles de atmósferas. • La fotósfera: Es muy delgada (más o menos 300Km. de espesor), es responsable de la casi totalidad de la radiación que recibimos. El orden de magnitud de temperatura ya no es más que de algunos miles de grados, decreciendo muy rápidamente en el espesor de la capa hasta una temperatura llamada “de superficie “del orden de 4500 K. • Las regiones de bajas densidades: La cromósfera y la corona en donde la materia es muy diluida. Esto explica que aunque la temperatura es elevada (del orden del millón de grados), la radiación emitida es muy débil. Además la materia es muy agitada: flamas en el seno de la cromósfera o también llamadas espículas o grandes columnas de gases en la corona también llamadas protuberancias. 1.1.1. La constante Solar. También conocida comoirradiancia solar extraterrestre, es la cantidad de energía recibida en forma de radiación solar por unidad de tiempo y unidad de superficie, medida en la parte externa de la atmósfera terrestre, cuando la tierra está a la distancia media del Sol (149.5 x 106 Km),el valor de la constante solar (𝑰𝑰𝒄𝒄𝒔𝒔) es de1366 𝑊𝑊/𝑚𝑚2 sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que varía un 0,2% en un periodo de 30 años. . Figura 1. 1 Constante Solar INGENIERÍA MECÁNICA Página 2 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera. 1.2. Radiación Solar. La radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas expedidas por el Sol, la radiación recibida por la superficie de la Tierra es menor que la que llega a la parte alta de la atmosfera debido a distintos procesos que tienen lugar durante su recorrido através de la atmosfera. Esta interacción entre la radiación solar y la atmosfera terrestre es debida - principalmente a tres fenómenos; difusión,absorción y reflexión. 1.2.1. Interacción de la Radiación Solar con la Atmosfera. La radiación difusa es la que se recibe del Sol, después de ser desviada por dispersión atmosférica. Es radiación difusa la que se recibe a través de las nubes, así como la que proviene del cielo azul., si no existiera la radiación difusa, el cielo se vería negro, aun de día, como sucede por ejemplo en la Luna. La atmósfera ejerce un efecto de redistribución de la radiación que recibe del Sol. Por ejemplo, en un día muy despejado, una parte relativamente pequeña se convierte en radiación difusa, mientras que la mayor parte permanece como directa, como se muestra en la figura 1.2. La radiación difusa, en un día despejado, es la que proviene del cielo azul. En cambio, en un día nublado, la redistribución de la radiación es mucho más notable. Las nubes densas tienen un albedo (fracción de energía reflejada) muy alto, lo cual hace que, en un día densamente nublado, una gran parte de la radiación solar se refleje al espacio exterior. Además, la energía que logra pasar a través de las nubes, es únicamente radiación difusa. Es muy difícil desarrollar modelos para predecir con precisión la presencia de nubes (posición, densidad, etc.). Existen modelos para predicción de "días promedio" en cierta fecha, pero no para fechas específicas. Figura 1. 2 Distribución de la Radiación INGENIERÍA MECÁNICA Página 3 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO 1.2.2. Absorción. En general, la absorción es la asimilación de una sustancia por otra. En este caso, se puede definir como el proceso por el cual la radiación solar es tomada o retenida por una sustancia y convertida en otras formas de energía, en general energía térmica. La Ley de Conservación de la Energía está implícita en esta afirmación: la convicción de que la energía no se gana ni se pierde, sino que se transforma. Del rayo solar original, de 100 unidades, tan solo 50 son absorbidas por la superficie de la Tierra. La atmósfera absorbe 16 unidades y las nubes 4. Esto significa que las otras 30 unidades se pierden en los procesos de dispersión y reflexión. Estas son cifras promedio; es importante señalar que los valores pueden variar según la ubicación. Por ejemplo, en las latitudes altas, como el ángulo solar es menor, la emisión solar atraviesa una porción más ancha de la atmósfera que en las latitudes más bajas. Como consecuencia, hay más probabilidades de que el rayo sea interceptado, esparcido o reflejado en las latitudes altas que en lugares donde el Sol cae más verticalmente. En las latitudes altas, la superficie de la Tierra absorbe una cantidad menor. Recordando la Ley de Conservación de la Energía, la mayor parte de estas 20 unidades de energía solar absorbida por la atmósfera y las nubes se aplican al aumento de la energía cinética de las moléculas que conforman la atmósfera. Este aumento se manifiesta como calentamiento del aire. Es importante mencionar que las moléculas son absorbentes selectivos. Como resultado del pasaje de energía radiante de una fuente continua (el Sol), a través de un medio selectivamente absorbente más frío que la fuente (la atmósfera), se crea una serie de líneas y bandas de absorción que constituyen el espectro de absorción. La banda de absorción se define como un rango de longitudes de onda o frecuencias en el cual una sustancia absorbe energía radiante. Como resultado de la creación de energía calórica, la sustancia también emite su propia radiación. En general, la absorción de radiación solar por parte de sustancias en la atmósfera de la Tierra tiene como resultado temperaturas inferiores a 1.800° Celsius. Según la Ley de Wien, los cuerpos con temperaturas a este nivel o inferiores emiten su radiación en la banda de onda larga. Una gran proporción de su radiación se pierde en el espacio. 1.2.3. Reflexión. La reflexión es el proceso por el cual una superficie devuelve una porción de la radiación incidente al medio por el cual llegó la radiación. En este caso la luz solar es redirigida en 180° luego de incidir en una partícula atmosférica. Como establece la Ley de Snell, “la energía es reflejada por una superficie con el mismo ángulo con el que inicialmente incidió sobre esa superficie”. Esta redirección causa una pérdida de la radiación solar entrante del 100 %. Es muy importante tomar en cuenta la reflexión ya que cerca de un tercio de la energía del Sol es reflejada. Si no fuera por la reflexión, sería imposible ver gran parte del mundo que nos rodea, ya que los objetos opacos deben reflejar la luz para ser vistos. La discontinuidad que mencionamos cuando definimos la reflexión debe ser significativa con respecto al largo de onda de la radiación. De otro modo la energía podría ser devuelta por medio de refracción (el proceso por el cual la insolación es redirigida hacia una nueva trayectoria luego de penetrar otro medio), en lugar de reflexión. Un ejemplo de esto es un manto estratificado de nubes donde ocurriría más refracción que reflexión. INGENIERÍA MECÁNICA Página 4 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO De toda la luz solar que pasa a través de la atmósfera anualmente, tan sólo el 51% está disponible en la superficie de la Tierra para funciones tales como la fotosíntesis, calor, evaporación, etc. Al igual que en la atmósfera, parte de la radiación recibida en la superficie de la Tierra es redirigida nuevamente al espacio por reflexión. 1.2.4. Irradiancia. Para expresar la potencia solar en general, de cualquier radiación se utiliza el término irradiancia(𝑊𝑊 𝑚𝑚2)⁄ , es la rapidez de incidencia de energía radiante sobre una superficie, por unidad de área. Generalmente se usa el símbolo G para la irradiancia, junto con los subíndices adecuados: Go, Gb, Gd, para la irradiancia extraterrestre, directa, difusa, etc. Nótese que la irradiancia tiene la virtud de indicar muy claramente que la radiación es un fenómeno que transcurre en el tiempo, que no es estático. Es energía que incide instantáneamente sobre una superficie, cuando incide la radiación sobre un plano, durante un tiempo determinado, puede hablarse entonces de que incidió una cierta cantidad de energía. La cantidad de energía, por unidad de área, que incide durante un período de tiempo dado, recibe el nombre de irradiación. 1.3. Métodos de medición. 1.3.1. Piranómetro. Un piranómetro (también llamado solarímetro y actinómetro) es un instrumento meteorológico utilizado para medir de manera muy precisa la radiación solar incidente sobre la superficie de la tierra. Se trata de un sensor diseñado para medir la densidad del flujo de radiación solar (kilovatios por metro cuadrado) en un campo de 180 grados. Figura 1. 3Piranómetro Sus componentes principales son: (1) Circuito impreso (2) Sensor o termopila (3) Cúpula de cristal INGENIERÍA MECÁNICA Página 5 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO (4) Cuerpo de metal (5) Abrazadera del cable (6) Cable eléctrico de salida de señal (7) Tornillo de nivelado (8) Base de goma (9) Cápsula (10) Bornes de conexión para los cables (11) Nivel Es un instrumento para medir la irradiancia global (directa más difusa), usualmente sobre una superficie horizontal. El tipo más común de piranómetros, consiste en dos sensores de temperatura, uno de ellos expuesto a la radiación solar y en negrecido y el otro, protegido de la radiación. Si los dos sensores se encuentran en condiciones similares en todo, menos en el hecho de estar expuestos a la radiación, habrá una diferencia de temperatura entre ellos. La hipótesis de trabajo de un piranómetro, es que la irradiancia es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos sensores. Para evitar ruido en las lecturas,causado por el viento y otros factores meteorológicos, el sensor expuesto a la radiación (y a veces también el otro) suelen estar protegidos por un hemisferio de vidrio. Este hemisferio, de características ópticas adecuadas, permite el paso de la radiación, pero evita el enfriamiento por viento, lo cual alteraría la lectura. 1.3.2. Piranómetro Térmico. Un ejemplo de piranómetro es el de Kipp y Zonen, que se constituye por una pila termoeléctrica contenida en un alojamiento con dos semiesferas de cristal. La pila termoeléctrica está constituida por una serie de termopares colocados horizontalmente, cuyos extremos están soldados con unas barras de cobre verticales solidarias a una placa de latón maciza. El conjunto está pintado con un barniz negro, para absorber la radiación. El flujo de calor originado por la radiación se transmite a la termopila, generándose una tensión eléctrica proporcional a la diferencia de temperatura entre los metales de los termopares. Para medir la radiación difusa es necesario tapar el sensor de radiación directa mediante una pantalla parasol, midiendo la irradiancia solar difusa (piranómetro de difusa). 1.3.3. Piranómetro Fotovoltaico. Otro tipo de piranómetros son los fotovoltaicos. En ellos, el principio de funcionamiento no es térmico como en el caso anterior; sino que tiene como fundamento el efecto fotoeléctrico. La radiación incide sobre un fotodiodo que es capaz de diferenciar el espectro solar por la frecuencia de la onda electromagnética, y de ese modo, mediante la lectura de voltaje, conocer los datos de radiación. INGENIERÍA MECÁNICA Página 6 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Dada su naturaleza, en este tipo de piranómetros es posible adosar filtros de ciertas bandas del espectro solar, por medio de algún domo de vidrio impregnado con el filtro deseado. Por otro lado, son más sensibles a pequeñas irregularidades y cambios debido a que no tienen la inercia térmica que sí tienen los térmicos. 1.3.4. Heliógrafo. Este instrumental mide la insolación, que son las horas de sol brillante que tiene el día. La duración de la insolación se halla concentrando los rayos solares sobre una banda de cartulina teñida de azul que se quema en el punto en que se forma la imagen del sol. Se utiliza como focalizador una esfera de cristal, de forma que no es necesario mover este foco constantemente debido al movimiento aparente del sol a lo largo del día y del estacionario. Figura 1. 4 Heliógrafo. La banda se fija por medio de ranuras a un soporte curvo y concéntrico con la esfera y tiene impresa una escala de 30 minutos. Si el sol luce durante todo el día sobre la banda se forma una traza carbonizada continua y la duración de la insolación se determina midiendo la longitud de la traza carbonizada. Si el sol brilla de forma discontinua, dicha traza es intermitente. En este caso, la insolación se determina sumando la longitud de las trazas resultantes. Según la época del año se utilizan tres tipos distintos de bandas, para el hemisferio norte: a) Desde comienzos de marzo hasta mediados de abril y desde comienzos de septiembre hasta mediados de octubre (alrededor de cada equinoccio) se utilizan bandas rectas. Son llamadas bandas equinocciales y se acoplan a las ranuras centrales del soporte. b) Desde octubre hasta fin de febrero se utilizan bandas curvadas cortas, que se colocan en las ranuras superiores. c) El resto del año, de abril hasta agosto, se usan bandas curvadas medianas, colocadas entre las ranuras apestosas INGENIERÍA MECÁNICA Página 7 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO En el hemisferio sur se invierte el uso de las bandas en los períodos definidos arriba. se tiene que cambiar de papel todos los dias . Figura 1. 5 Tipos de bandas para Heliógrafo. 1.3.5. Actinómetro. También llamado Pirheliómetro. Es el instrumento capaz de medir la radiación directa. Los pirheliómetros sirven para medir la radiación solar directa. Tienen una abertura y una cara de recepción que debe permanecer siempre normal a los rayos solares. Existen varios tipos de pirheliómetros y dependiendo de la inversión disponible para los instrumentos de medida, de los objetivos de precisión y de otros condicionamientos relacionados, se seleccionará la utilización de unos u otros en una campaña de medida. Pirheliómetro patrones primarios (absolutos). Todos los pirheliómetros absolutos de diseño moderno utilizan receptores de cavidad y, como sensores, medidores diferenciales de flujo calorífico calibrados eléctricamente. Pirheliómetros patrones secundarios. El pirheliómetro de compensación Ångström es un instrumento muy adecuado para la calibración de piranómetros y otros pirheliómetros. Fue diseñado por K. Ångström (1893) como instrumento absoluto y la Escala Ångström, de 1905 se construyó basándose en él, aunque en la actualidad se utiliza como patrón secundario y debe calibrarse por comparación con un instrumento patrón. El pirheliómetro de disco de plata es un instrumento de referencia que siempre debe calibrarse por comparación con un patrón primario. Presenta buena estabilidad y todavía se utiliza para calibrar piranómetros y pirheliómetros. INGENIERÍA MECÁNICA Página 8 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Figura 1. 6 Pirheliómetro Ángstrom. 1.4 Efecto Invernadero. Dentro de un invernadero la temperatura es más alta que en el exterior porque entra más energía de la que sale, por la misma estructura del habitáculo, sin necesidad de que empleemos calefacción para calentarlo. De acuerdo a la figura 1.7 a continuación se explicara como se produce el efecto invernadero en la Tierra el cual es un efecto natural similar de retención del calor gracias a algunos gases atmosféricos. La temperatura media en la Tierra es de unos 15º C y si la atmósfera no existiera sería de unos -18º C. Figura 1. 7 Diagrama Efecto Invernadero. El efecto invernadero se origina porque la energía que llega del sol, al proceder de un cuerpo de muy elevada temperatura, está formada por ondas de frecuencias altas que traspasan la atmósfera con gran facilidad. A su vez, la energía remitida hacia el exterior, desde la Tierra, al proceder de un cuerpo mucho más frío, está en forma de ondas de frecuencias más bajas, y es absorbida por los gases con efecto invernadero. INGENIERÍA MECÁNICA Página 9 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Esta retención de la energía hace que la temperatura sea más alta, aunque hay que entender bien que, al final, en condiciones normales, es igual la cantidad de energía que llega a la Tierra que la que esta emite. Si no fuera así, la temperatura de nuestro planeta habría ido aumentando continuamente, cosa que, por fortuna, no ha sucedido. Podríamos decir, de una forma muy simplificada, que el efecto invernadero lo que hace es provocar que la energía que llega a la Tierra sea "devuelta" más lentamente, por lo que es "mantenida" más tiempo junto a la superficie y así se mantiene la elevación de temperatura. 1.4.1. Gases con efecto invernadero. Como se indica en la columna de acción relativa, un gramo de clorofluorocarbono (CFC) produce un efecto invernadero 15.000 veces mayor que un gramo de dióxido de Carbono (CO2) , pero como la cantidad de CO2 es mucho mayor que la del resto de los gases, la contribución real al efecto invernadero (en porcentaje) es la que señala la columna de la derecha Tabla 1. 1 Gases con efecto Invernadero. Gas Acción relativa Contribución real CO2 (dióxido de Carbono) 1 (referencia) 76 % CFCs 15.000 5 % CH4 (metano) 25 13 % N2O (óxido nitroso) 230 6 % Durante el siglo veinte la concentración de anhídridocarbónico y otros gases invernadero en la atmósfera creció constantemente debido a la actividad humana: A comienzos de siglo, por la quema de grandes masas de vegetación para ampliar las tierras de cultivo En los últimos decenios, por el uso masivo de combustibles fósiles como el petróleo, carbón y gas natural, para obtener energía y por los procesos industriales. La concentración media de dióxido de carbono se ha incrementado desde unas 275 ppm (partículas por millón) antes de la revolución industrial, a 315 ppm cuando se empezaron a usar las primeras estaciones de medida exactas en 1958, hasta 361 ppm en 1996. El dióxido de carbono explica más del 60 por ciento del “efecto invernadero”. El hombre quema carbón, petróleo y gas natural a una velocidad muchísimo mayor que el ritmo con que se crearon dichos recursos. En ese proceso, el carbono almacenado en los combustibles se libera en la atmósfera y perturba el ciclo del carbono, sistema con miles de años de antigüedad y perfectamente equilibrado a través del cual se produce un intercambio de carbono con el aire, los océanos y la vegetación terrestre. En la actualidad, los niveles atmosféricos de dióxido de carbono están aumentando más del diez por ciento cada veinte años. Los niveles de metano se han doblado en los últimos cien años. En 1800 la concentración era de aproximadamente 0,8 ppmv (partes por millón en volumen) y en 1992 era de 17 ppmv. La cantidad de óxido de dinitrógeno se incrementa en 0,25 por ciento anual. En la época preindustrial sus niveles serían de alrededor de 0,275 ppmv y alcanzaron los 0, 310 ppmv en 1992. INGENIERÍA MECÁNICA Página 10 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Otros gases como el oxígeno y el nitrógeno, aunque se encuentran en proporciones mayores, no son capaces de generar efecto invernadero. 1.4.2. Consecuencias del cambio climático No es posible predecir con gran seguridad lo que pasaría en los distintos lugares, pero es previsible que los desiertos se hagan más cálidos pero no más húmedos, lo que tendría graves consecuencias en el Oriente Medio y en África donde el agua es escasa. Figura 1. 8 Calentamiento Global. Entre un tercio y la mitad de todos los glaciares del mundo y gran parte de los casquetes polares se fundirían, poniendo en peligro las ciudades y campos situados en los valles que se encuentran por debajo del glaciar. Grandes superficies costeras podrían desaparecer inundadas por las aguas que ascenderían de 0,5 a 2 m., según diferentes estimaciones. Unos 118 millones de personas podrían ver inundados los lugares en los que viven, por la subida de las aguas. INGENIERÍA MECÁNICA Página 11 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Tierras agrícolas se convertirían en desiertos y, en general, se producirían grandes cambios en los ecosistemas terrestres. Estos cambios provocarían grandes colapsos en la humanidad orillando a mayor carencia, en la figura 1.9 podemos apreciar claramente el incremento de la temperatura de nuestro planeta, por eso es importante recurrir a las energías verdes y renovables. Fuente: NASA´s Goddard institute for Space Studies Figura 1. 9 Variación de Temperatura Global. 1.5. Aprovechamiento de la energía solar. La radiación solar se puede aprovechar de tres distintas maneras: • Directa. Una de las aplicaciones de la energía solar es directamente como luz solar, por ejemplo, para la iluminación de recintos. En este sentido, cualquier ventana es un colector solar. Otra aplicación directa, muy común, es el secado de ropa y algunos productos en procesos de producción con tecnología simple. • Térmica. Se denomina "térmica" la energía solar cuyo aprovechamiento se logra por medio del calentamiento de algún medio. La climatización de viviendas, calefacción, refrigeración, secado, etc., son aplicaciones térmicas. • Fotovoltaica. Se llama "fotovoltaica" la energía solar aprovechada por medio de celdas fotoeléctricas, capaces de convertir la luz en un potencial eléctrico, sin pasar por un efecto térmico. 1.5.1. Captación de la energía solar. La energía solar presenta dos características que la diferencian de las fuentes energéticas convencionales: • Dispersión: su densidad apenas alcanza 1 W m2⁄ , muy por debajo de otras densidades energéticas, lo que hace necesarias grandes superficies de captación o sistemas de concentración de los rayos solares. • Intermitencia: hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento de la energía captada Ello lleva a un replanteamiento en el aprovechamiento de la energía, totalmente distinto al clásico, lo que requiere un gran esfuerzo de desarrollo. Así pues, el primer paso para el aprovechamiento INGENIERÍA MECÁNICA Página 12 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO de la energía solar es su captación, aspecto dentro del que se pueden distinguir dos tipos de sistemas: • Pasivos: no necesitan ningún dispositivo para captar la energía solar, cuyo aprovechamiento se logra aplicando distintos elementos arquitectónicos • Activos: captan la radiación solar por medio de un elemento de determinadas características, llamado "colector"; según sea éste se puede llevar a cabo una conversión térmica (a baja, media o alta temperatura), aprovechando el calor contenido en la radiación solar, o bien una conversión eléctrica, aprovechando la energía luminosa de la radiación solar para generar directamente energía eléctrica por medio del llamado "efecto fotovoltaico" En la actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, que pueden transformarla en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias, que pueden ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes que afronta la humanidad. 1.5.2. Sistemas Solares Pasivos. Un diseño pasivo es un sistema que capta la energía solar, la almacena y la distribuye de forma natural, sin mediación de elementos mecánicos. Sus principios están basados en las características de los materiales empleados y la transferencia de calor en sus tres formas radiación, conducción y convección. Los elementos utilizados son los siguientes • Acristalamiento: capta la energía solar y retiene el calor igual que un invernadero • Masa térmica: constituida por los elementos estructurales del edificio o por algún material acumulador específico (agua, tierra, piedras), tiene como misión almacenar la energía captada. Las aplicaciones más importantes de los sistemas solares pasivos son la calefacción y la refrigeración. La refrigeración surge más bien como una necesidad de utilizar los sistemas de calefacción de forma continuada durante todo el año. La integración de colectores de aire, la utilización de paredes internas como muros acumuladores de calor y la aplicación de ventiladores, aumentan la eficacia de los sistemas pasivos, y se les conoce como "híbridos", ya que utilizan ciertos sistemas mecánicos activos. INGENIERÍA MECÁNICA Página 13 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Figura 1. 10 Diferentes tipos de Energía Solar Pasiva. 1.5.3 Sistemas Solares Activos.. Los sistemas activos no solo se basan en la arquitectura para captar la energía solar, como ya vimos se necesitan colectores solares. Un colector solar es una especie de intercambiador de calor que transforma la energía radiante en calor. La transferencia de energía se hace desde una fuente radiante (sol), hacia un fluido (agua o aire generalmente) que circula por los tubos o ductos del colector. El flujo de energía radiante que finalmenteintercepta el colector, proviene básicamente del rango visible del espectro solar (longitudes de onda entre 0.29 y 2.5 µm) y es por naturaleza variable con el tiempo. En condiciones óptimas podemos esperar como máximo, flujos de 1100 W m2⁄ . De esta forma, un INGENIERÍA MECÁNICA Página 14 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO análisis de colectores solares presenta problemas relacionados con radiación y flujos de energía pequeños y variables. Dentro de los diversos tipos de colectores solares, los colectores solares planos son los más comunes. Estos pueden ser diseñados y utilizados en aplicaciones donde se requiere que la energía sea liberada a bajas temperaturas, debido a que la temperatura de operación de este tipo de colectores, difícilmente pasa los 100°C. Las ventajas que podemos obtener de este tipo de colectores con respecto a los colectores de enfoque, que concentran la radiación solar; es que éstos utilizan la energía solar directa y difusa, no requieren movimiento continuo para dar seguimiento al sol, prácticamente no necesitan mantenimiento y son mecánicamente de construcción más simple que los colectores concentradores. Las principales aplicaciones de estos dispositivos son en el campo del calentamiento de agua a nivel doméstico e industrial, acondicionamiento calorífico de edificios y secado de fruta y granos. 1.6. Colectores planos. Los colectores planos están compuestos generalmente por los elementos que se muestran en la figura 1.11 y se describen a continuación. Figura 1. 11 Colectores planos. -Superficie captadora de la radiación solar. -Circuito por donde circula el fluido que transfiere el calor captado. -Cubierta transparente. -Aislamiento térmico. -Caja protectora que acopla el conjunto al resto de la instalación. La placa captadora es el elemento principal que recoge la radiación solar y transmite el calor que ésta transporta. Está construida de material metálico negro, o plástico cuando la temperatura es inferior a 50°C. Se orienta hacia el Sur con una inclinación igual a la latitud geográfica del lugar. INGENIERÍA MECÁNICA Página 15 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Esta placa debe absorber la máxima radiación posible para convertirla en energía térmica con el mayor rendimiento y transferir la mayor cantidad posible de calor al fluido portador. Para mejorar estas placas se emplean los llamados "recubrimientos selectivos", productos de máxima absorción de radiación y mínima emisión. El circuito por donde circula el fluido que transporta el calor puede ser: • Pasivo o por circulación natural (termosifón). • Activo o por circulación forzada (bombeo). A su vez, el circuito puede ser también: • Abierto: utiliza agua de la red general, que se hace pasar por el colector; este sistema presenta problemas de corrosión e incrustaciones. • Cerrado: emplea agua tratada en un circuito que cede el calor al agua de consumo en un intercambiador de calor. El rendimiento del colector aumenta utilizando una cubierta transparente que protege la placa colectora y produce un efecto invernadero al atrapar el calor incidente. Estas cubiertas son de vidrio, plásticos o combinaciones de estos materiales; la elección del material y del número de cubiertas suele depender del costo y del aumento del rendimiento obtenido. El aislamiento térmico reduce las pérdidas de calor, utilizándose como tal lana de vidrio o corcho sintético. La caja protege todos los elementos del colector y permite ensamblar sus diferentes componentes, soliéndose presentar en variados aspectos y materiales. Sus superficies se suelen tratar con pinturas resistentes al ambiente en que va a ser instalada. Finalmente, para mejorar el rendimiento de los colectores de placa plana se puede eliminar el aire del espacio situado entre la superficie absorbente y la cubierta transparente. A este tipo de colector se le conoce con el nombre de "colector de vacío", cuyo coste es más del doble del de los convencionales, pero que permite obtener temperaturas muy próximas a los 100 °C. 1.6.1. Tipos de colectores planos. Los colectores solares planos pueden ser divididos en dos categorías básicas: los que utilizan como fluido de trabajo un líquido (agua) y los que utilizan un gas (aire). En general los que calientan aire manejan flujos mucho más grandes que los que calientan agua. También podemos decir que cuando se trabaja con un líquido, este fluye normalmente por un tubo adherido a la placa absorbedora o aleta; mientras que cuando se utiliza un gas, este fluye por un ducto que forma parte de la placa de absorción y que además puede tener muy diversas formas. 1.7. Colectores Concentradores. Existen muchas aplicaciones, sobre todo a nivel industrial, donde se necesita que la energía sea liberada a altas temperaturas. Como se mencionó antes, esto no se puede lograr con los colectores solares planos debido a las características propias de este tipo de colectores ya que la radiación solar es una energía de baja intensidad. En consecuencia, para obtener temperaturas INGENIERÍA MECÁNICA Página 16 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO altas (arriba de los 100 °C), se hace necesario incrementar la intensidad de la energía solar. Esto se puede lograr disminuyendo el área por donde ocurren las pérdidas de calor, e interponiendo un dispositivo óptico entre la fuente de radiación (sol) y la superficie absorbedora, que debe ser pequeña comparada con la del dispositivo óptico. Esta es precisamente la función que desempeñan los colectores concentradores. De esta manera, en el absorbedor, podemos tener densidades de energía que van desde 1.5 hasta varios miles de veces la radiación solar que llega al sistema óptico. (Figura 1.6). Con los colectores concentradores de energía solar, se pueden obtener temperaturas entre 100 y 500°C si se usan colectores focales rudimentarios, entre 500 y 1500°C si el sistema óptico de los colectores tiene un buen acabado y entre 1500 y 3500°C si el sistema óptico tiene un acabado perfecto. Aunque con este tipo de colectores se pueden obtener altas temperaturas de operación, estos presentan varios problemas técnicos desde el punto de vista de la ingeniería, comparados con los colectores solares planos. Deben orientarse continuamente al sol de manera precisa mediante un mecanismo apropiado debido a que este tipo de colectores utilizan únicamente la energía solar directa. Por otra parte, el acabado de las superficies que constituyen el sistema óptico no sólo debe ser de buena calidad, sino que debe mantener sus propiedades por largos períodos de tiempo sin ser deterioradas por el polvo, lluvia y medio ambiente, donde generalmente existen componentes oxidantes y corrosivos. También las demandas de los materiales utilizados en el receptor (aislante térmico, fluido de trabajo, tubos absorbedores y cubiertas) son mayores en este tipo de colectores, debido a que es ahí donde se obtienen las altas temperaturas. En resumen podemos decir que los problemas de operación que acabamos de mencionar, junto con los costos elevados de los materiales utilizados en este tipo de colectores focales, ha hecho que su uso no sea muy generalizado. Esto ha dado cabida a que se trabaje en los colectores concentradores fijos. Estos no tienen las desventajas de los de enfoque, aunque sólo permiten incrementos moderados de la intensidad de la radiación solar. Figura 1. 12 Colectores Concentradores. 1.7.1. Colectores concentradores para la conversión térmica a temperaturas medias. Para obtener temperaturas superiores a los 100°C se debe concentrar la radiación solar, para lo que se pueden utilizar lentes o espejos. Canalizando la radiación hacia un punto o una superficieINGENIERÍA MECÁNICA Página 17 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO llamado "foco", éste eleva su temperatura muy por encima de la alcanzada en los colectores planos. Aunque la superficie que recibe los rayos concentrados puede tener cualquier forma dependiendo de la técnica usada, en la actualidad la solución más favorable para una concentración de tipo medio (temperaturas menores de 300°C) es el "colector cilindro-parabólico". Este colector, representado esquemáticamente en la figura 1.6, consiste en un espejo cilindro-parabólico que refleja la radiación recibida sobre un tubo de vidrio dispuesto en la línea focal. Dentro del tubo se vidrio están el absorbedor y el fluido portador del calor. Para que se puedan concentrar los rayos solares, estos colectores se montan igual que los planos, es decir, mirando al Sur y con una inclinación igual a la latitud del lugar. Además necesitan un dispositivo que vaya haciendo girar los espejos a lo largo del día, sincronizado con el movimiento aparente del Sol. Los colectores cilindro-parabólicos, aparte de poder operar a temperaturas superiores a las de los planos, tienen la ventaja de requerir depósitos de acumulación más pequeños y de tener menores superficies de absorción y menores pérdidas de calor. No obstante, son más caros. Aunque los colectores cilindro-parabólicos son aplicables en la misma gama de necesidades que los paneles planos, al poder desarrollar temperaturas considerablemente superiores tienen interesantes posibilidades de utilización industrial. Así, se están usando asociaciones de un cierto número de estos colectores en las llamadas "granjas solares", pudiendo ser utilizados para la producción de calor o electricidad. La energía así obtenida se aplica a procesos térmicos industriales, desalinización de agua de mar, refrigeración y climatización. 1.7.2. Colectores concentradores para la conversión térmica a altas temperaturas. Para conversiones térmicas superiores a los 300°C, encaminadas a la producción de energía eléctrica a gran escala, es necesario concentrar la radiación solar mediante grandes paraboloides o un gran número de espejos enfocados hacia un mismo punto. El sistema más extendido es de receptor central, formado por un campo de espejos orientables, llamados "heliostatos", que concentran la radiación solar sobre una caldera situada en lo alto de una torre, según se muestra en la figura 1.7. Figura 1. 13 Heliostatos. El calor captado en el absorbedor es cedido a un fluido portador circulando en circuito cerrado y que, debido a las altas temperaturas que ha de soportar (superiores a 500°C) suele ser sodio fundido o vapor de agua a presión. Este fluido primario caliente se hace pasar a un sistema de INGENIERÍA MECÁNICA Página 18 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO almacenamiento, para luego ser utilizado en un sistema de generación de vapor, que se alimenta a una turbina. Esta actúa sobre un alternador, que permite obtener energía eléctrica. La tecnología de las centrales solares se encuentra actualmente en fase de pleno desarrollo. Las instalaciones existentes se pueden considerar sólo como plantas de experimentación que permiten obtener, de momento, una rentabilidad en forma de innovación tecnológica. Por lo tanto, estas centrales están aún muy lejos de resolver el problema energético, aunque se pueden considerar válidas como un modesto complemento de las centrales térmicas convencionales. 1.8. Subsistema de distribución y almacenamiento. Está constituido por las redes de tuberías y los accesorios correspondientes, que permitirán el transporte del fluido portador de calor desde los colectores al sistema de almacenamiento, y desde éste a los puntos de consumo. La elección de los diferentes elementos depende del uso de la instalación y de la temperatura de los fluidos; en cualquier caso, deben estar aislados para evitar pérdidas de calor. Un elemento importante de este subsistema son las bombas, que provocan la circulación del fluido a través de los circuitos, siendo asimismo necesario instalar vasos de expansión para evitar la rotura de las tuberías. Otros elementos del circuito distribuidor son las válvulas, purgadores, filtros y otros varios, empleados en las instalaciones convencionales de plomería. El subsistema de distribución se complementa con diferentes elementos de medida (termómetros, manómetros) y control (válvulas automáticas), que permiten su funcionamiento automático. Asimismo, cabe destacar que los equipos solares de baja temperatura no garantizan la totalidad de las necesidades energéticas, por lo que necesitan de un equipo convencional de apoyo (calentadores eléctricos o a gas, etc.) que suplan la carencia de energía solar, fundamentalmente debidas a las condiciones climatológicas. La característica principal de los sistemas activos es que estos utilizan un fluido de trabajo en movimiento que puede ser agua, aire, aceites o algún otro fluido. Los principales componentes que intervienen en estos sistemas son: el colector solar, la unidad de almacenamiento, sistemas de conversión y control y el lugar donde se hace la descarga de energía. Generalmente, el medio de almacenamiento es agua si por el colector se hace circular un líquido. Similarmente, si en el colector circula aire, el medio de almacenamiento serán rocas o piedras. Las temperaturas alcanzadas en este tipo de sistemas andan entre los 50 y 100 °C. En este caso el almacenamiento de energía se puede dar por cualquiera de los siguientes mecanismos: calor sensible, cambio de fase, reacciones químicas y estanques solares. 1.9. Almacenamiento por calor sensible o capacidad calorífica. Diversos tipos de materiales líquidos, sólidos y combinaciones de líquidos y sólidos, pueden almacenar energía por cambios de temperatura. Esta energía almacenada es igual al cambio de energía interna que sufre el material al cambiar su temperatura, la capacidad de almacenamiento depende específicamente de las capacidades caloríficas de los materiales utilizados y de los cambios de temperatura que en ellos se den. Para determinar si un material es apropiado para utilizarse como medio de almacenamiento, es que este debe ser capaz de almacenar entre 300 y 600 𝐾𝐾𝑀𝑀 °𝐶𝐶𝑚𝑚2⁄ de área de colector, como mínimo. INGENIERÍA MECÁNICA Página 19 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO También encontramos que cuanto mayor sea la temperatura que pueda alcanzar el medio de almacenamiento, tanto menor será el tamaño del sistema, aunque las pérdidas se hacen más evidentes. 1.9.1. Almacenamiento en agua. El agua es el medio ideal de almacenamiento para sistemas activos debido a que tiene una gran capacidad calorífica y por lo tanto mayor capacidad de almacenamiento. Por ejemplo, el agua puede almacenar casi cinco veces más energía (4.186 kJ/kg-°C) que la que puede almacenar la misma masa de roca o piedra (0.88 kJ/kg-°C). Además, el medio de transporte de energía, hacia o de la unidad de almacenamiento, se hace a través de la misma agua. Esta también puede utilizarse en forma directa o mediante el uso de cambiadores de calor y de manera continua a lo largo del día. Algunas desventajas que se tienen al utilizar el agua como medio de almacenamiento, es que se necesitan depósitos que generalmente son grandes y caros, se oxidan si son de metal y hay grandes pérdidas de calor por conducción y convección que tienen que ser evitadas utilizando aislantes. Otro aspecto es que la energía es liberada a diferentes temperaturas.Una de las aplicaciones más comunes se da en los calentadores solares de agua para uso doméstico. 1.9.2. Almacenamiento en piedras o rocas. Las rocas o piedras también son un buen medio de almacenamiento.En sistemas activos, generalmente se usa lechos de piedra bajo tierra o lechos empaquetados. Como ya se había mencionado, el aire es el fluido de trabajo que remueve o adiciona el calor de la unidad de almacenamiento. En este caso, el calor por lo general no puede ser adicionado y removido al mismo tiempo. Aunque las rocas o piedras no tienen un calor especifico alto, son buenos como medio de almacenamiento debido a que tienen una gran densidad, es de bajo costo, tienen conductividad térmica baja y no tienen problemas de corrosión. 1.9.3. Almacenamiento por calor latente o cambio de fase.. La energía que una sustancia necesita para cambiar de fase, generalmente es mayor que la que se ocupa para tener incrementos de temperatura pequeños en la misma sustancia. Esto da la pauta para pensar que se puede aprovechar el cambio de fase de algunas sustancias para utilizarlas como medios de almacenamiento de energía solar. La idea es que la sustancia absorba la energía solar de forma directa (sistema pasivo) o mediante un colector solar (sistema activo) y cambie de fase. Al cambiar de fase la sustancia conserva en forma latente la energía absorbida. Esta será cedida posteriormente, cuando la sustancia regrese a su estado original. Los cambios de fase pueden ser sólido-líquidos, líquido-vapor El cambio de fase líquido-vapor casi no se utiliza debido a que el vapor genera grandes presiones y en muchos casos no resulta práctico trabajar con este tipo de sistemas debido a que este tiene que ser diseñado para soportar presiones altas y por lo tanto se hace más complicado y costoso. Por esta razón, lo que más se aprovecha son los cambios de fase líquido-sólidos. Las sustancias que pueden utilizarse como medios de almacenamiento por cambio de fase sólido- líquido pueden ser muy variadas (hielo, sustancias orgánicas, sales hidratadas, compuestos inorgánicos y metales o aleaciones). Algunas tienen puntos de fusión altos por lo que se haría INGENIERÍA MECÁNICA Página 20 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO necesario utilizar colectores concentradores para poder obtener altas temperaturas y provocar el cambio de fase en la sustancia. Por ejemplo, las sales hidratadas tienen un alto calor de solidificación-fusión, bajo costo y la temperatura para provocar el cambio de fase puede ser alcanzada fácilmente mediante colectores planos que utilizan la energía solar. El tener más capacidad de almacenamiento en las sustancias, reduce el tamaño de los sistemas de almacenamiento. 1.9.4. Almacenamiento en estanques solares. Un estanque común con agua es capaz de captar una gran cantidad de energía solar a través de todos los días del año. Sin embargo, la temperatura del agua permanece baja debido a que también hay grandes pérdidas de energía por radiación, convección y evaporación principalmente. Una manera de evitar esas pérdidas de calor es mediante el uso de estanques con agua salada. Debido al aumento en la densidad del agua por efecto de las sales disueltas, no se da el efecto de la convección dentro del estanque y además esto permite que se desarrolle un gradiente de temperatura estable y positiva hacia abajo. De esta forma, la temperatura del fondo es mayor que la que se tiene en la superficie y por la tanto se evita la mayor parte de las pérdidas de calor que se dan en la superficie del líquido. La captación de energía solar se puede mejorar si el fondo y paredes están pintados de negro. La remoción del calor se hace mediante intercambiadores de calor apropiados, para evitar que la solución tenga movimiento y por lo tanto se pierda el gradiente de temperatura positivo. Otro factor que puede contribuir a que se pierda dicho gradiente es el viento que pega en la superficie del líquido. Esto se puede evitar colocando una cubierta transparente adecuada sobre el estanque solar. Podemos decir que en un estanque solar se distinguen tres regiones distintas, aunque difusas: Una capa de agua pura en la superficie, una intermedia donde ocurren los gradientes de densidad y una conectiva en el fondo. Esta última es lo que constituye en realidad el sistema de almacenamiento de energía, dado que tiene las mayores temperaturas y se encuentra aislada de la atmósfera por las capas superiores. 1.9.5. Almacenamiento por reacciones químicas. La energía solar también puede almacenarse por medio de reacciones químicas. Estas deben ser reacciones endotérmicas reversibles, que se invierten cuando se requiere que la energía sea liberada. Para que una reacción sea utilizada en el almacenamiento de la energía solar, se requiere que: 1. La reacción sea reversible. 2. Los reactivos puedan hacer uso de la energía del espectro solar, tanto como sea posible.3. La energía almacenada en la reacción sea grande. Al menos del orden de 600 Wh/kg.4. Que los reactivos sean económicos. En caso de que los productos de la reacción puedan separarse y usarse como combustibles, no se necesita que la reacción sea reversible.La energía solar también puede emplearse en los procesos de fermentación anaerobia de algas para la producción de metano(CH4). Este es estable a temperatura ambiente y al reaccionar con el oxígeno mediante una combustión, libera la energía almacenada para producir altas temperaturas. INGENIERÍA MECÁNICA Página 21 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO 1.10. Conversión eléctrica: sistemas fotovoltaicos. La conversión de la energía solar en energía eléctrica está basada casi por completo en el denominado "efecto fotovoltaico", o producción de una corriente eléctrica en un material semiconductor como consecuencia de la absorción de radiación luminosa. Los semiconductores son sustancias, como el silicio, de conductividad eléctrica intermedia entre un aislante y un conductor y, según sus características, se clasifican en dos tipos: "tipo p" y "tipo n" (ver figura 1.8). Estas características se consiguen añadiendo impurezas que afectan a las propiedades eléctricas del semiconductor, proceso que se llama "dopado". Añadiendo al silicio impurezas de fósforo se consigue un semiconductor tipo n, mientras que añadiendo boro, se consigue un semiconductor tipo p. El alto grado de pureza necesario para la obtención de semiconductores será el motivo principal de su elevado costo. Figura 1. 14 Silicio. Un disco mono cristalino de silicio dopado en su superficie expuesta al Sol hasta hacerla de tipo n y en su parte inferior de tipo p, constituye una "célula solar fotovoltaica", completada por unos contactos eléctricos adecuados para hacer circular la corriente eléctrica por el circuito exterior, según se muestra en la Figura 1.8. Figura 1. 15 Sistema Fotovoltaico. INGENIERÍA MECÁNICA Página 22 INSTUTUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO Generalmente, conectando 36 de ellas y montándolas entre dos láminas de vidrio que las protegen de la intemperie, se obtiene un "módulo fotovoltaico", capaz de proporcionar una corriente continua de 18 V con una iluminación de 1 𝐾𝐾𝑊𝑊 𝑚𝑚2⁄ . Una serie de módulos montados sobre un soporte mecánico constituyen un "panel fotovoltaico"; según se conecten dichos módulos en serie o en paralelo (figura 1.9), puede conseguirse casi cualquier valor de tensión y de intensidad de corriente. En la mayoría de las aplicaciones, el panel se conecta a una batería, para disponer de energía eléctrica almacenada, aunque también puede estar conectado en paralelo con la red, para emplear la energía de la misma cuando falte el Sol. Figura 1. 16 Paneles fotovoltaicos en serie. Entre los sectores de aplicación de la energía solar fotovoltaica cabe destacar cuatro, claramente diferenciados: • Aplicaciones remotas: lugares donde
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