u808511

Ingeniería Mecánica

•

Artes

Jhonatan Rivera

7/11/2023

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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

PROYECTO DE GRADO

CARACTERIZACIÓN Y MEJORAMIENTO DEL DISEÑO DE UN COLECTOR
HÍBRIDO PV/T EN LAS CONDICIONES CLIMÁTICAS DE BOGOTÁ

PRESENTADO POR:
SANTIAGO BECERRA CUBILLOS

201413645
s.becerra10@uniandes.edu.co

PROFESOR ASESOR:
ANDRÉS LEONARDO GONZÁLEZ MANCERA, PhD, MSc.

BOGOTÁ, COLOMBIA 17 DE MAYO DEL 2018
mailto:s.becerra10@uniandes.edu.co
1

Contenido
1. AGRADECIMIENTOS .................................................................................................. 8
2. ABSTRACT .................................................................................................................... 9
3. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 10
3.1 Motivación ............................................................................................................. 10
3.2 Estado del Arte ....................................................................................................... 11
3.3 Energía Solar: ¿Cómo se aprovecha? .................................................................... 12
3.3.1 Celdas y Paneles Fotovoltaicos ...................................................................... 13
3.3.2 Colectores térmicos ........................................................................................ 14
3.3.3 Colectores híbridos PV/T ............................................................................... 15
4. OBJETIVOS.................................................................................................................. 17
4.1 Objetivos Principales ............................................................................................. 17
4.2 Objetivos Secundarios ........................................................................................... 17
5. PARÁMETROS Y ECUACIONES .............................................................................. 18
5.1 Nomenclatura ......................................................................................................... 18
5.2 Cálculo de ecuaciones ............................................................................................ 19
5.2.1 Eficiencia Térmica .......................................................................................... 19
5.2.2 Eficiencia Eléctrica ......................................................................................... 21
6. METODOLOGÍA ......................................................................................................... 22
6.1 Selección del banco de pruebas ............................................................................. 22
6.1.1 Estado estacionario vs. Estado cuasi-dinámico .............................................. 22
6.1.2 Banco de pruebas NTC 5434-2: Circuito abierto vs. Circuito cerrado .......... 23
6.2 Aspectos y elementos de norma NTC 5434-2 ....................................................... 26
6.2.1 Estructura del montaje del colector ................................................................ 26
2

6.2.2 Ángulo de incidencia ...................................................................................... 26
6.2.3 Orientación del colector al exterior ................................................................ 26
6.2.4 Sombreo de irradiancia solar directa .............................................................. 27
6.2.5 Irradiancia solar difusa y reflejada ................................................................. 27
6.2.6 Radiación térmica ........................................................................................... 27
6.2.7 Velocidad del aire ........................................................................................... 27
6.3 Instrumentos necesarios según norma NTC 5434-2 .............................................. 28
6.3.1 Medición de la radiación solar........................................................................ 28
6.3.2 Medición de la irradiancia térmica ................................................................. 29
6.3.3 Medición de temperaturas .............................................................................. 29
6.3.4 Medición del caudal másico del fluido ........................................................... 30
6.3.5 Medición de la velocidad del aire ................................................................... 31
6.4 Aspectos y equipos en instalación de ensayos ....................................................... 31
6.4.1 Fluido de transferencia de calor...................................................................... 31
6.4.2 Circuito hidráulico y conexiones .................................................................... 32
6.4.3 Bomba y sistema de regulación del caudal ..................................................... 32
6.4.4 Regulación de temperatura del fluido de transferencia de calor .................... 32
6.5 Instrumentos y elementos usados en el banco de pruebas ..................................... 33
6.5.1 Estructura ........................................................................................................ 33
6.5.2 Piranómetro .................................................................................................... 35
6.5.3 Sensores de temperatura ................................................................................. 36
6.5.4 Flujómetro ...................................................................................................... 39
6.5.5 Sensor de velocidad del aire ........................................................................... 40
6.5.6 Circuito hidráulico .......................................................................................... 41
3

6.5.7 Bomba ............................................................................................................. 42
6.5.8 Regulador de temperatura ............................................................................... 44
6.6 Mejoras del diseño del colector híbrido ................................................................. 47
6.6.1 Conector de entrada y salida del colector ....................................................... 47
6.6.2 Intercambiador de calor .................................................................................. 50
6.7 Montaje final del banco de pruebas ....................................................................... 51
6.7.1 Eficiencia eléctrica ......................................................................................... 51
6.7.2 Eficiencia térmica ........................................................................................... 53
7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ................................................................................ 55
7.1 Eficiencia eléctrica del colector híbrido ................................................................ 55
7.2 Eficiencia térmica del colector híbrido .................................................................. 58
7.2.1 Caracterización módulo original .................................................................... 59
7.2.2 Caracterización módulo mejorado .................................................................. 61
8. CONCLUSIONES ........................................................................................................ 62
9. REFERENCIAS ............................................................................................................ 63
10. ANEXOS ................................................................................................................... 65
10.1 ANEXO A .............................................................................................................. 65
10.2 ANEXO B ..............................................................................................................
66
10.3 ANEXO C .............................................................................................................. 67
10.4 ANEXO D .............................................................................................................. 68
10.5 ANEXO E .............................................................................................................. 69

Ilustraciones
Ilustración 1. Evolución precio de celda PV en silicona. Tomado de [1] ............................ 10
Ilustración 2. Radiación solar promedio en Colombia. Tomado de [2] ............................... 11
Ilustración 3. Radiación solar en el mundo. Tomado de [3]................................................. 12
Ilustración 4. Diagrama explicativo del movimiento de electrones en celda solar. Tomado de
[4] ......................................................................................................................................... 13
Ilustración 5. Estructura y orden de las capas de un panel solar. Tomado de [5] ................ 14
Ilustración 6. Estructura interna de un colector térmico solar. Tomado de [6] .................... 15
Ilustración 7. Tipo de colector usado en el montaje (Sheet and Tube). Tomado de [7] ....... 16
Ilustración 8 Esquema de un banco de pruebas a circuito abierto. Tomado de [9] .............. 24
Ilustración 9 Esquema de un banco de pruebas a circuito abierto. Tomado de [9] .............. 25
Ilustración 10 Piranómetro comercial clase 1. Tomado de [13] ........................................... 28
Ilustración 11 Localización de sensores de temperatura a entrada y salida. Tomado de [9] 30
Ilustración 12 Estructura móvil del colector híbrido. ........................................................... 33
Ilustración 13 Estructura móvil inclinada. ............................................................................ 34
Ilustración 14 Soportes de inclinación de la estructura móvil. ............................................. 34
Ilustración 15 Ubicación del piranómetro en la estructura del colector ............................... 36
Ilustración 16 Anemómetro EXTECH con su termopar visible. .......................................... 37
Ilustración 17 Localización sensores PT100 en el circuito del banco de pruebas. ............... 38
Ilustración 18 Características del flujómetro YF-S201. Tomado de [18] ............................ 39
Ilustración 19 Conexiones flujómetro YF-S201. Tomado de [18] ....................................... 40
Ilustración 20 Localización flujómetro en el circuito del banco de pruebas ........................ 40
Ilustración 21 Curva y datos técnicos de bomba sumergible usada, Tomado de [20] ......... 43
Ilustración 22 Localización de la bomba sumergible ........................................................... 43
5

Ilustración 23 Tubería con resistencias eléctricas ................................................................ 44
Ilustración 24 Prueba de control de temperatura .................................................................. 45
Ilustración 25 Controlador Logo Siemens con sus componentes eléctricos ........................ 46
Ilustración 26 Fugas en unión impresa en 3D ...................................................................... 48
Ilustración 27 Presencia de gotas de agua por debajo del colector debido a fugas internas 48
Ilustración 28 Pieza de unión en aluminio al lado de la pieza de unión impresa en 3D ...... 49
Ilustración 29 Unión de aluminio acoplada al circuito hidráulico........................................ 49
Ilustración 30 Proceso de soldadura del intercambiador de calor ........................................ 51
Ilustración 31 Localización de primeras fugas en juntas de soldadura ................................ 51
Ilustración 32 Esquema eléctrico para ensayos en paneles fotovoltaicos. Tomado de [10] . 52
Ilustración 33 Montaje final para encontrar la eficiencia eléctrica de las celdas fotovoltaicas
.............................................................................................................................................. 52
Ilustración 34 Prueba para encontrar la constante de tiempo del colector ........................... 53
Ilustración 35 Montaje final para caracterizar la eficiencia térmica .................................... 54
Ilustración 36 Curva normal I-V como función de la intensidad de radiación solar. Tomado
de [10] ................................................................................................................................... 55
Ilustración 37 Gráfica de resultados de corriente y potencia vs voltaje ............................... 56
Ilustración 38 Gráficas normales de corriente y potencia en una celda solar. Tomado de [21]
.............................................................................................................................................. 56
Ilustración 39 Gráfica de resultados de eficiencia eléctrica vs voltaje ................................. 57
Ilustración 40 Efecto de la temperatura sobre la potencia eléctrica en paneles PV. Tomado de
[23] ....................................................................................................................................... 58
Ilustración 41 Celda dañada del colector PV/T .................................................................... 58
Ilustración 42 Gráfica de caracterización del módulo original............................................. 60
Ilustración 43 Curva normal de eficiencia térmica para un colector solar. Tomado de [24] 60
6

Ilustración 44 Gráfica de caracterización del módulo mejorado .......................................... 61

Tablas
Tabla 1 Nomenclatura usada ................................................................................................ 18
Tabla 2 Ventajas y desventajas del uso del método de estado cuasi-estático. Tomado de [12]
.............................................................................................................................................. 23
Tabla 3 Características del piranómetro Eppley modelo PSP. Tomado de [15] .................. 35
Tabla 4 Datasheet mini termo-anemómetro EXTECH. Tomado de [16] ............................. 37
Tabla 5 Rangos de operaciones y resoluciones de sensores PT100. Tomado de [17] ......... 38
Tabla 6 Propiedades del polietileno de alta densidad en barras. Tomado de [19] ............... 41
Tabla 7 Resumen componentes totales del circuito hidráulico. ........................................... 42
Tabla 8 Listado de instrumentos usados en la caracterización de la eficiencia eléctrica ..... 53

1. AGRADECIMIENTOS
Agradezco a mi familia, sobre todo a mi mamá Francy Yanneth Cubillos, que sin ella no sería
la persona que soy hoy. Gracias a ella por su constante apoyo y ánimo en todos los obstáculos
que he tenido en mi vida. Gracias a mi familia por brindarme su incondicional apoyo y amor
en grandes y pequeños momentos de mi vida. A mis queridos abuelos, a mis tías y tíos, que
nunca dejaron de preocuparse por mí. Sin ellos esto nunca hubiese sido posible.

Agradezco a mi asesor Andrés González por su ayuda y consejos a lo largo del semestre y de
este proyecto, y por sus constantes motivaciones a seguir trabajando. Sus consejos ayudaron
a profundizar más este trabajo y a llegar a mejores resultados.

Agradezco también a mis mejores amigos que me ayudaron a sentar cabeza cuando más lo
necesitaba, a ver las cosas desde otro punto de vista y alegrar muchos días, claros y nublados,
en la Universidad. No puedo imaginarme cómo hubiese sido este camino sin su compañía.

Por último, agradezco a todos los técnicos de los laboratorios, que durante toda mi carrera
me ayudaron con pequeñeces cuando estaba en apuros. Gracias por comprender nuestras
urgencias.

9
2. ABSTRACT
Renewable energies are making an impact in the actual society, by taking advantage of the
nature’s own methods of producing energy. This impact can be seen in the continuous
investment of multiple countries on either solar energy or wind energy. In this project specific
case, we see what is called a hybrid PV/T collector, or photovoltaic-thermal collector, which
is composed of a photovoltaic cell arrangement and a solar thermal heater. The photovoltaic
panel transforms a piece of the solar energy in electric power output and the thermal collector
heats normally water through also solar energy. In this project, the hybrid PV/T was
standardized to find its current thermal and electric efficiency, and then its design was
changed to improve its thermal efficiency.

3. INTRODUCCIÓN
3.1 Motivación
En el transcurrir de los años, las energías renovables han ido incrementando su uso gracias a
la visión global que han tenido algunos países con la inversión en estas energías, las cuales
disminuyen su huella de carbono en la atmósfera. Alemania, Suecia, Dinamarca y Finlandia
son algunos de los países que utilizan energías renovables (eólica, solar, térmica) como
alternativa principal en el sector energético de cada país. La energía renovable que ha cogido
más auge ha sido la energía solar, por su fácil implementación en sectores urbanos.
Desde su invención, el precio por Watt en los paneles solares fotovoltaicos ha ido
disminuyendo exponencialmente en las últimas décadas. Tanto que ha alcanzado un precio
menor a 0.3 USD/Watt, como se puede apreciar en la Ilustración 1. Por consecuente, se
decidió trabajar este proyecto con energía solar, específicamente un colector hibrido PV/T
solar.

Ilustración 1. Evolución precio de celda PV en silicona. Tomado de [1]
11

3.2 Estado del Arte
La energía solar que incide sobre nuestro planeta es un recurso inagotable que tiene que ser
aprovechada en su máximo esplendor para reducir los daños ambientales que son causados
diariamente. Por esta razón, en Colombia se debe crear una iniciativa que fomente a la
inversión, producción e instalación de paneles fotovoltaicos en zonas donde se presenten
altas irradiaciones y se pueda hacer una debida distribución de dicha energía solar al resto
del país. En la Ilustración 2 se presentan los promedios multianuales en diferentes zonas de
Colombia en kWh, donde se puede apreciar que en la zona de la Guajira puede llegar a existir
radiación de entre 5.5 y 6.5 kWh.

Ilustración 2. Radiación solar promedio en Colombia. Tomado de [2]
12

También se puede concluir que Bogotá no tiene tan buen promedio de radiación solar
multianual, ya que se encuentra entre los 3.5 y 4.5 kWh, lo cual evidencia que Bogotá tiene
capacidad de una buena producción de energía solar en el año. Sin embargo, estos rangos
pueden variar dependiendo de la época del año (mes y condición ambiental) por lo que la
eficiencia total que tendría el hipotético sistema no sería la más adecuada.
Ahora, en comparación al resto del mundo, Colombia tiene una ubicación geográfica que está
por encima del promedio en términos de producción de energía solar.

Ilustración 3. Radiación solar en el mundo. Tomado de [3]
Como se ve en la Ilustración 3, Colombia puede llegar a recibir entre 4 y 4.8 kWh de energía
solar en un día, comparado con Alemania que sólo puede llegar a recibir entre 2.8 y 3.6 kWh
al día, siendo este país un gran inversor en energías renovables.

3.3 Energía Solar: ¿Cómo se aprovecha?
Existen dos formas principales para aprovechar la energía solar: utilizar la radiación en forma
de fotones que inciden en “celdas” llamadas celdas fotovoltaicas, las cuales hacen circular
electrones excitados por los fotones generando cargas eléctricas; y utilizando la radiación en
forma de energía térmica al calentar un fluido circulante, con el objetivo de llevar dicha
energía térmica a otro sistema.
13

3.3.1 Celdas y Paneles Fotovoltaicos
En la industria de paneles solares existen dos tipos de celdas: monocristalinas y
policristalinas. El primer tipo es el más antiguo y el más investigado en términos de procesos
de producción. Consisten en la formación de un solo cristal de silicio y su proceso de
fabricación es más complejo y caro, pero pueden llegar a obtener mejor eficiencia eléctrica.
En otra instancia, las celdas policristalinas tienen una fabricación más barata, ya que
consisten en formación de cristales no controlados y su eficiencia no es tan buena como en
las celdas monocristalinas.
Aunque tengan estructuras diferentes estos dos tipos de celdas solares, ambas cumplen el
mismo principio de funcionamiento. Básicamente, una celda solar está conformada por capas
de materiales semiconductores, los cuales 2 están cargados positiva y negativamente (p-type
y n-type respectivamente). El fotón que llega del rayo solar impacta el semiconductor n-type,
excitando un electrón en el material, haciendo que circule a través del semiconductor p-type
y así generar corriente eléctrica.

Ilustración 4. Diagrama explicativo del movimiento de electrones en celda solar. Tomado de [4]
14

Normalmente las celdas fotovoltaicas generan 0.5 V individualmente, por esta razón se
realizan arreglos de estas celdas los cuales son llamados módulos o paneles solares, y estos
son los que se utilizan normalmente para la generación de energía eléctrica por medio de
radiación solar. Comúnmente, estos paneles son un laminado en estilo “sándwich” de una
capa protectora (normalmente vidrio), un adhesivo aislante encapsulante (EVA), las celdas
solares, una segunda capa del adhesivo aislante y una cobertura inferior.

Ilustración 5. Estructura y orden de las capas de un panel solar. Tomado de [5]

3.3.2 Colectores térmicos
Los colectores térmicos aprovechan la radiación solar en forma de calor utilizando un área
de apertura para transferir la energía calorífica a un fluido de transporte, generalmente agua
o aire. Los colectores solares térmicos comúnmente usados son los de placa plana, los cuales
fueron los primeros en diseñarse y fabricarse; y raramente se usan colectores parabólicos y
helióstatos.
15

Ilustración 6. Estructura interna de un colector térmico solar. Tomado de [6]
Normalmente los colectores solares usan una cubierta de vidrio y carcasa como medio
protector. Alrededor del arreglo de tubos (comúnmente de cobre u otro material con buena
conductividad térmica) se encuentran materiales aislantes; y una placa conductora térmica
que transfiere la energía solar en forma de calor a los tubos.

3.3.3 Colectores híbridos PV/T
Este tipo de colector usa los principios de ambos dispositivos de aprovechamiento de energía
solar: paneles fotovoltaicos y colectores térmicos. El panel fotovoltaico tiene como cobertura
inferior la placa conductora, la cual está adyacente al arreglo de tubos transportadores de
agua o aire. Estos colectores empezaron a ser tomados en cuenta para su producción a finales
de la década de los 90, por lo tanto, no han tenido tanto desarrollo en métodos de producción
masiva de estos colectores.
16

Ilustración 7. Tipo de colector usado en el montaje (Sheet and Tube). Tomado de [7]
Como los colectores solares híbridos PV/T aprovechan aún más la energía solar total
incidente, normalmente se usa como fluido de transporte agua y no aire. Esto se debe a que
el agua tiene un coeficiente de transferencia de calor mucho mayor al del aire a diferentes
temperaturas.

4. OBJETIVOS
4.1 Objetivos Principales
 Caracterizar el colector híbrido PV/T existente en la Universidad de los Andes,
realizado por Rory Macpherson [8] junto con un nuevo diseño que mejore su
eficiencia.
 Analizar el rendimiento de los colectores híbridos PV/T, comparándolos con sus
componentes por aparte (panel fotovoltaico y colector
térmico solar).
 Evaluar la viabilidad de implementar el nuevo diseño propuesto en colectores PV/T
comerciales.
4.2 Objetivos Secundarios
 Utilizar las normas NTC 5434-2 [9] y NTC 4405 [10]; y cumplir con sus parámetros
de experimentación para logar una debida caracterización del colector híbrido.
 Implementar el banco de pruebas fabricado por Rodolfo Albarracín y adaptarlo al
nuevo colector solar híbrido [11]
 Asegurar del correcto funcionamiento del colector solar híbrido (fugas de agua,
correcto acoplamiento de las uniones de tuberías, etc.).
 Diseñar y manufacturar un nuevo intercambiador de calor que aporte un
mejoramiento en la transferencia de energía solar desde el panel al agua.

5. PARÁMETROS Y ECUACIONES

5.1 Nomenclatura
Tabla 1 Nomenclatura usada
Símbolo Definición Unidades
𝑎1 Coeficiente de pérdidas térmicas 𝑊 𝑚
−2 𝐾−1
𝑎2 Coef. De pérdidas térmicas dependiente de la temperatura 𝑊 𝑚
−2 𝐾−1
𝐴𝑎 Área del absorbedor del colector 𝑚
2
𝐴𝐴 Área de apertura del colector 𝑚
2
𝐴𝐺 Área total del colector 𝑚
2
𝐶𝑓 Calor específico del fluido de transferencia de calor 𝐽 𝑘𝑔
−1 𝐾−1
𝐹𝐹 Factor de llenado del panel fotovoltaico −
𝐺 Irradiancia solar global 𝑊 𝑚−2
𝐼𝑚 Corriente en el punto de máxima potencia 𝐴
𝐼𝑠𝑐 Corriente de corto circuito 𝐴
�̇� Flujo másico del fluido dentro del colector 𝑘𝑔 𝑠−1
�̇� Potencia útil extraída del colector 𝑊
𝑡 Tiempo 𝑠
𝑇𝑎 Temperatura del ambiente circundante °𝐶
𝑇𝑖𝑛 Temperatura del fluido a la entrada al colector °𝐶
𝑇𝑚 Temperatura media del fluido dentro del colector °𝐶
𝑇𝑚
∗ Diferencia de temperatura reducida °𝐶
19

𝑇𝑜 Temperatura del fluido a la salida del colector 𝑚
2 𝐾 𝑊−1
𝑉𝑚 Voltaje en el punto de máxima potencia 𝑉
𝑉𝑜𝑐 Voltaje de circuito abierto 𝑉
∆𝑇 Diferencia de temperatura de fluido a la entrada y a la salida 𝐾
𝜂𝐸 Eficiencia eléctrica −
𝜂𝑇 Eficiencia térmica del colector −
𝜂𝑜 Eficiencia óptica del colector −
𝜏𝑐 Constante de tiempo del colector 𝑠
5.2 Cálculo de ecuaciones
A continuación se presentan una serie de pasos y ecuaciones necesarios para realizar el
análisis completo de la caracterización del colector híbrido PV/T, de acuerdo a las normas
NTC 5434-2 [9] y NTC 4405 [10].
5.2.1 Eficiencia Térmica
Para el cálculo de la eficiencia térmica, se extraen las ecuaciones y pasos a tomar en cuenta
de la norma NTC 5434-2 [9].
La potencia útil extraída del colector solar se puede definir como:
�̇� = 𝐶𝑓 ∗ �̇� ∗ ∆𝑇 (1)
Donde el valor del calor específico del fluido (Cf) es calculado a partir de la temperatura
media del fluido a usar, como se puede apreciar en la tabla del Anexo A.
Así mismo, la energía solar recogida por el colector, siempre y cuando el ángulo de incidencia
sea menor a 20°, se puede expresar como:
𝐴𝑎 ∗ 𝐺
Por lo tanto, la definición la potencia útil extraída, utilizando la eficiencia térmica del
colector, vendría a ser:
20

�̇� = 𝜂𝑇 ∗ 𝐴𝑎 ∗ 𝐺
5.2.1.1 Diferencia de la temperatura reducida
Según la norma técnica NTC 5434-2 [9], la diferencia de temperatura reducida es un término
usado para expresar la eficiencia térmica instantánea de un colector, y su obtención es de la
siguiente manera:
𝑇𝑚
∗ =
𝑇𝑚 − 𝑇𝑎
𝐺
(2)
Donde la temperatura media del fluido (Tm) es definida como el valor medio entre la
temperatura inicial y final del fluido:
𝑇𝑚 = 𝑇𝑖𝑛 +
∆𝑇
2

5.2.1.2 Eficiencia térmica instantánea
Para el cálculo de la eficiencia térmica instantánea es necesario realizar un ajuste estadístico
a partir de una regresión por mínimos cuadrados y su expresión sería de la siguiente forma:
𝜂𝑇 = 𝜂𝑜 − 𝑎1 ∗ 𝑇𝑚
∗ − 𝑎2 ∗ 𝐺 ∗ (𝑇𝑚
∗ )2 (3)
Como ya se mencionó, la obtención de la expresión cuadrática es a partir de una regresión
por mínimos cuadrados, y se recomienda no usar un valor negativo para el coeficiente de
transferencia de calor dependiente de la temperatura (a2 < 0). Si se llega a tener un valor
negativo para a2, es necesario usar otro tipo de regresión que se ajuste a la norma (usualmente
con una regresión lineal basta)[9].
A partir de las ecuaciones 1, 2 y 3; la potencia útil que puede aportar el colector se puede
expresar como:
�̇� = 𝐴𝑎 ∗ 𝐺 ∗ (𝜂𝑜 − 𝑎1 ∗ (
𝑇𝑚 − 𝑇𝑎
𝐺
) − 𝑎2 ∗ 𝐺 ∗ (
𝑇𝑚 − 𝑇𝑎
𝐺
)
2
) (4)

5.2.2 Eficiencia Eléctrica
Al igual que en la sección del cálculo de eficiencia térmica, en esta sección se presentarán
las ecuaciones y pasos necesarios de acuerdo a la norma técnica NTC 4405 [10].
La definición de eficiencia eléctrica se da como la razón entre la potencia eléctrica generada
y la potencia solar incidente en el panel fotovoltaico, por lo tanto, se usaría la siguiente
ecuación:
𝜂𝐸 =
𝑉𝑚 ∗ 𝐼𝑚
𝐺
(5)
Como se indica en la norma técnica, en términos de expresar la efectividad de un panel solar,
es preferible hacerlo de acuerdo al factor de llenado (FF), el cual expresa la relación existente
entre la mayor potencia generada por una celda solar y la potencia hipotética generada por el
voltaje a circuito abierto (Voc) y la corriente a corto circuito (Isc):

𝐹𝐹 =
𝑉𝑚 ∗ 𝐼𝑚
𝑉𝑜𝑐 ∗ 𝐼𝑠𝑐
(6)
Normalmente, cada panel solar comercial tiene en la parte trasera de este o en su datasheet
los valores tanto de voltaje a circuito abierto y corriente a corto circuito; como de máxima
potencia útil. Usando la ecuación 6, la ecuación 5, de eficiencia eléctrica, queda expresada
de la forma:
𝜂𝐸 = 𝐹𝐹 ∗
𝑉𝑜𝑐 ∗ 𝐼𝑠𝑐
𝐺
(7)
Con estas expresiones es posible realizar la debida caracterización de cualquier colector
híbrido solar, siguiendo las normas técnicas ya mencionadas.

6. METODOLOGÍA
6.1 Selección del banco de pruebas
Como el diseño del banco de pruebas se está haciendo de acuerdo a las normas NTC 5434-2
y NTC 4405, se tuvo como opciones los bancos de prueba planteados por la norma NTC
5434-2 los cuales consisten en ser colectores solares con cobertura plana y colectores solares
sin cobertura plana, ambos en estado estacionario. Debido a que el módulo híbrido existente
es de cobertura plana debido a que tiene que almacenar las celdas fotovoltaicas, además de
no dejar que la velocidad del viento afecte las mediciones, las pruebas se realizaron de
acuerdo a los esquemas y elementos necesarios para un colector solar con cobertura plana.

6.1.1 Estado estacionario vs. Estado cuasi-dinámico
La norma NTC 5434-2 indica que la toma de datos de colectores de cobertura plana se puede
realizar en estado estacionario o en un estado cuasi-dinámico. El método de estado cuasi-
dinámico permite una medición más completa y precisa debido a los posibles cambios
climáticos. En adición, como se aprecia en la tabla 2, para el uso en una ciudad como Bogotá,
es más recomendable este método debido a las variaciones constantes en el clima de la
ciudad. Sin embargo, como arroja resultados más precisos, los instrumentos necesarios en
este método tendrían un costo más elevado que en el método de estado estacionario.

Tabla 2 Ventajas y desventajas del uso del método de estado cuasi-estático. Tomado de [12]

6.1.2 Banco de pruebas NTC 5434-2: Circuito abierto vs. Circuito cerrado
La norma NTC 5434-2 ofrece dos métodos de realizar el circuito del fluido de transferencia
de calor: abierto y cerrado. Las diferencias entre cada circuito son pocas, debido a que tienen
que cumplir los mismos requerimientos de la norma mencionada, como ubicación de los
sensores de temperatura, valor del flujo másico, uso de agua como fluido de transferencia de
calor, entre otros; de los cuales se especificarán más adelante. A continuación, en las
ilustraciones 8 y 9, la norma presenta un ejemplo de esquema para circuito abierto y circuito
cerrado, respectivamente.
24

Ilustración 8 Esquema de un banco de pruebas
a circuito abierto. Tomado de [9]

Ilustración 9 Esquema de un banco de pruebas a circuito abierto. Tomado de [9]

Debido a la facilidad en obtención de implementos y simpleza del esquema, para la toma de
datos se empleó un banco de pruebas a circuito cerrado.
26

6.2 Aspectos y elementos de norma NTC 5434-2
Es indispensable recalcar los instrumentos a usar en el banco de pruebas para una medición
de datos correcta. A continuación, se enlistarán los elementos que conformarán dicho banco
de pruebas junto con sus localizaciones y, en debido caso, resolución del elemento.

6.2.1 Estructura del montaje del colector
Una estructura bien diseñada y hecha asegura una buena medición de datos. Por lo tanto, la
norma NTC 5434-2 asegura que para cumplir ese objetivo la apertura del colector no debe
ser obstruida por la estructura del mismo. De la misma manera, tampoco debe afectar al
aislamiento trasero, debido a que se debe permitir circular aire por la parte delantera y trasera
del mismo. En adición, la parte inferior del colector debe estar por lo menos a 0.5 metros por
encima del suelo, para facilitar la circulación del aire. Finalizando, el colector no debe ser
ubicado cerca de alguna corriente de aire caliente. Si el colector se dispondrá sobre el tejado
de un edificio, se debe ubicar el colector a 2 m de distancia del extremo de dicho tejado.

6.2.2 Ángulo de incidencia
Para garantizar la correcta medición de la irradiancia solar, el ángulo formado entre la
superficie plana del colector y los rayos solares, o ángulo de incidencia, debe estar entre un
rango del 2% del valor en condiciones normales. De esta manera, para los colectores de
cobertura plana cerrada este valor es de 20°. Sin embargo, en la mayoría de los colectores la
variación de éste ángulo no influye mucho en la precisión de los datos.

6.2.3 Orientación del colector al exterior
Junto con el ángulo de inclinación, la orientación del colector afecta la exactitud de la
irradiancia solar actual incidente. Por lo tanto, se debe orientar el colector en dirección sur,
pero esto limita el tiempo para cada medición pues influiría en el ángulo de incidencia. Lo
27

más recomendado es mover el colector automáticamente o manualmente para que quede
acorde al acimut.

6.2.4 Sombreo de irradiancia solar directa
Para maximizar la eficiencia eléctrica y solar del colector, se debe ubicar de tal manera que
ninguna sombra obstaculice las celdas fotovoltaicas y la placa colectora.

6.2.5 Irradiancia solar difusa y reflejada
La medición de la radiación solar es muy sensible y varía por cualquier variación en la
dirección de los rayos solares. Por lo tanto, la ubicación del colector debe ser tal que no debe
estar cerca de edificios que puedan reflejar los rayos solares, o de alguna superficie grande
de cristal, metal o agua.

6.2.6 Radiación térmica
La precisión del colector depende también de la temperatura a la que se encuentran las placas
adyacentes de la cobertura del colector, por lo tanto, esta temperatura debe ser lo más cercana
a la temperatura ambiente. Esto se facilita con el diseño del colector que permita la
circulación del aire alrededor de este. Según la norma, a los alrededores del colector no debe
haber chimeneas, torres de refrigeración o gases de combustión calientes.

6.2.7 Velocidad del aire
Como se ha mencionado anteriormente, el diseño de la estructura del colector debe permitir
un adecuado flujo de aire por sus alrededores. Debido a esto, el aire debe circular fácilmente
sobre el área de apertura.

6.3 Instrumentos necesarios según norma NTC 5434-2
Además de mencionar qué aspectos de importancia hay que tomar en cuenta al momento de
tomar datos, de acuerdo a la norma NTC 5434-2, también es imprescindible especificar cada
instrumento necesario con sus resoluciones para cumplir con la norma.

6.3.1 Medición de la radiación solar
6.3.1.1 Piranómetro
Se debe utilizar un Piranómetro de clase 1 para medir la irradiancia directa, como el que se
muestra en la Ilustración 10. Esto con el fin de cumplir con la norma ISO 9060. Para
disminuir efectos de temperatura y de humedad el piranómetro debe ser recubierto
apropiadamente y se recomiendo exponerlo por 30 min antes de realizar la prueba para mayor
precisión. También las conexiones deben asegurarse de tal modo que la temperatura no afecte
la precisión de los datos. En cuestión a la ubicación del piranómetro, éste debe ser ubicado
sobre el mismo plano del área de apertura con una tolerancia del 1% y, en el caso de
colectores para el exterior, tiene que estar a la mitad de altura del colector.

Ilustración 10 Piranómetro comercial clase 1. Tomado de [13]
29

6.3.1.2 Medida del ángulo de incidencia
Para comprobar que el colector no supere el ángulo de incidencia de 20° se puede construir
un dispositivo capaz de medir dicho ángulo. Consiste en un puntero sobre anillos
concéntricos graduados, ubicado sobre el mismo plano al área de apertura del colector, capaz
de proyectar una sombra sobre los anillos que sea medible físicamente.
6.3.2 Medición de la irradiancia térmica
Normalmente la irradiancia térmica se desprecia en los colectores térmicos, pero si se desea
saber sus valores en el transcurso de las mediciones se puede colocar un piranómetro con las
mismas condiciones de instalación que el piranómetro usado para la medición de radiación
solar.

6.3.3 Medición de temperaturas
Existen tres medidas de temperatura indispensables en el colector: temperatura de entrada
del fluido, temperatura de salida del fluido y temperatura ambiente del aire.

6.3.3.1 Medida de la temperatura de entrada y salida del fluido
Debido a que los valores de temperatura a entrada y salida del colector son los que
directamente lo caracterizan es necesario el uso de sensores con una resolución de 0.1 K. Sin
embargo, para evitar incertidumbres debido a cambios de temperatura por acumulación en el
tiempo, la norma recomienda usar una resolución de 0.02 K. La localización de dichos
sensores debe ser a no más de 200 mm de la entrada y salida del colector, para evitar cambios
en valores. También, para garantizar una temperatura uniforme del fluido, el sensor debe
localizarse después de un codo de tubería acorde a la dirección de flujo, como se aprecia en
la Ilustración 11.
30

Ilustración 11 Localización de sensores de temperatura a entrada y salida. Tomado de [9]

6.3.3.2 Medida de la temperatura ambiente del aire
Al igual que en los sensores de temperatura a la entrada y salida del colector, este sensor debe
tener una resolución de 0.1 K o 0.02 K que vendría a ser lo más recomendado. Para evitar
irradiancia no deseada, el sensor debe estar en un protector sombreado y pintado de blanco.
Su ubicación puede estar en un sitio el cual exista buena circulación.

6.3.4 Medición del caudal másico del fluido
Esta medición tiene dos formas de realizarse: directamente o a partir del caudal volumétrico.
Si se hace a través del caudal volumétrico se debe realizar el cálculo con los valores del
31

caudal medido y la densidad, conociendo la temperatura en cada medición. Su precisión debe
ser del ±1% del valor medio del caudal.

6.3.5 Medición de la velocidad del aire
La precisión de los colectores varía según varíe la velocidad del aire sobre este, ya que esto
afecta las pérdidas de calor (esto es muy considerable en colectores planos sin cobertura).
Como lo que realmente importa para el montaje es la velocidad del viento sobre el área de
apertura y no la velocidad meteorológica del viento, se debe colocar el sensor, que en este
caso de medidas externas sería un anemómetro, de 10 mm a 50 mm sobre el plano de apertura
del colector. Este anemómetro debe tener una resolución de 0.5 m/s y debe hacer mediciones
medias de 2 m/s. Si esto no
sucede, un generador de viento debe ubicarse a 0.3 m del
anemómetro.

6.4 Aspectos y equipos en instalación de ensayos
Además de la instrumentación requerida en los ensayos del banco de pruebas, es necesario
especificar no solo equipos sino aspectos a tomar en cuenta que son de vital importancia en
el montaje, tales como el fluido de transferencia de calor, el circuito hidráulico o la bomba
hidráulica. A continuación, se especificará para cada uno qué exigencias de la norma son
requeridas para los ensayos.

6.4.1 Fluido de transferencia de calor
Como se ha mencionado, agua es el fluido que mejor se adapta a los colectores planos con
cobertura, tal como lo indica la norma NTC 5434-2, u otro fluido que recomiende el
fabricante. Para la correcta operación de las pruebas se debe conocer la densidad y calor
específico del fluido usado en ±1% sobre el rango de temperaturas obtenidas en el ensayo.
Para asegurar una correcta caracterización del colector se debe usar un mismo caudal al
momento de encontrar la constante de tiempo y de las medidas a diferentes temperaturas.
32

6.4.2 Circuito hidráulico y conexiones
Según la norma, las tuberías del circuito hidráulico deben ser las adecuadas para operar sin
ningún problema hasta 95°C y resistir a la corrosión. En adición, es recomendable minimizar
la distancia en tubería entre la entrada del colector y el sistema de control de temperatura,
debido a posibles cambios en la temperatura del fluido por la temperatura ambiente. Como
se mencionó anteriormente, el circuito debe tener codos antes de cada sensor de temperatura
del fluido. Adicionalmente, la norma recomienda instalar otros elementos en el circuito tales
como un separador de aire, un purgador a la salida del colector y filtros aguas arriba del
sistema de medición de caudal. Otro aspecto que puede tomarse en cuenta es la instalación
de una tubería pequeña transparente que permita visualizar el flujo para poder observar
burbujas de aire u otros elementos no deseados dentro del circuito.

6.4.3 Bomba y sistema de regulación del caudal
La bomba hidráulica escogida debe ser ubicada de tal manera que el calor emitido por su
operación no afecte al control de temperatura ni a los cambios de temperatura que se dan
dentro del colector.

6.4.4 Regulación de temperatura del fluido de transferencia de calor
Como la potencia calorífica generada por el colector depende directamente de la variación
entre las temperaturas de entrada y salida, los valores obtenidos de temperatura a la entrada
del colector deben ser lo más precisos posibles. Por lo tanto, se recomienda la instalación de
un regulador de temperatura aguas arriba del regulador de flujo y del caudalímetro. Este
regulador de temperatura debe lograr mantener la temperatura deseada en el rango de
operación dado.

6.5 Instrumentos y elementos usados en el banco de pruebas
Teniendo en cuenta los trabajos anteriores de Rodolfo Albarracín y Rory Macpherson, y de
acuerdo a lo estipulado anteriormente sobre la norma NTC 5434-2, se utilizaron los
siguientes equipos e instrumentos para la operación del banco de pruebas propuesto.

6.5.1 Estructura
La estructura utilizada en el banco de pruebas es la estructura diseñada y fabricada por
Rodolfo Albarracín. Esta tiene unas dimensiones de 1.03 x 0.68 x 0.76 m y está hecho de
acero, como se puede apreciar en la Ilustración 12. Estas dimensiones generales, como el
diseño tipo mesa de la estructura cumplen con los requisitos de altura mínima y fácil
circulación de aire por sus alrededores. La selección de material se hizo de tal manera que la
estructura pudiera soportar el peso del colector con su caja protectora (aproximadamente 30
kg); y para asegurar que el colector no se desplace al momento de cambiar su ángulo de
inclinación se usaron soportes de perfiles en L. En adición, en las “patas” de la estructura, se
instalaron ruedas para facilitar el desplazamiento y el seguimiento del acimut.

Ilustración 12 Estructura móvil del colector híbrido.
34

Para lograr la inclinación se soldaron dos bisagras en la parte delantera de la estructura y se
fabricaron dos soportes capaces de soportar el peso del colector a diferentes ángulos de
operación (0° - 40°), como se puede ver en las ilustraciones 13 y 14.

Ilustración 13 Estructura móvil inclinada.

Ilustración 14 Soportes de inclinación de la estructura móvil.
35

6.5.2 Piranómetro
Como se ha mencionado anteriormente, el piranómetro a usar para medir la radiación solar
directa sobre el colector solar debe ser de clase 1, y por conveniencia la universidad posee
un piranómetro de clase 1. Este piranómetro es un Eppley modelo PSP 21081 F3 [14], donde
sus especificaciones pueden apreciarse en la Tabla 3, cumpliendo con la norma ISO 9060.
Tabla 3 Características del piranómetro Eppley modelo PSP. Tomado de [15]

Para cumplir con la ubicación del piranómetro, según la norma NTC 5434-2, la estructura
cuenta con un soporte lateral 110 mm por debajo del plano de apertura del colector, a la mitad
del largo total de este. De esta manera se puede obtener un valor conciso de la radiación solar.
También, como la Ilustración 15 lo muestra, el soporte del piranómetro se recubrió con
pintura negra para evitar cualquier irradiancia difusa o refractada.

Ilustración 15 Ubicación del piranómetro en la estructura del colector

6.5.3 Sensores de temperatura
Debido a que los cambios en las temperaturas del fluido a la entrada y salida del colector
pueden afectar la caracterización debido a la mala selección de los sensores, se hizo una
selección que se ajustara lo más cercano posible a la norma NTC 5434-2.

6.5.3.1 Temperatura ambiente del aire
Para tener una medida concisa de la temperatura del aire se seleccionó un sensor que mejor
se adaptara a la norma. Por lo tanto se usó el sensor de temperatura que viene con el mini
termo-anemómetro EXTECH, en donde la Tabla 4 muestra que posee un buen rango de
temperaturas para el aire y una resolución de ±0.1°C. En adición, su diseño y su localización
en la parte superior central del colector le permiten realizar mediciones precisas ya que
permite buena circulación del aire en el termopar y evita alguna radiación directa sobre este
(ver Ilustración 16).
37

Tabla 4 Datasheet mini termo-anemómetro EXTECH. Tomado de [16]

Ilustración 16 Anemómetro EXTECH con su termopar visible.

6.5.3.2 Temperaturas de entrada y salida
Para las temperaturas de entrada y salida se seleccionó un sensor que tenga un rango de
temperaturas comprendido en las temperaturas de operación del colector, que este rango no
sea demasiado amplio para disminuir el error entre mediciones y su resolución sea cercana
al ±0.02 K dictado por la norma. Entre las opciones encontradas, el que más se ajusta a
dichos estándares son los sensores PT100 clase A.
38

Tabla 5 Rangos de operaciones y resoluciones de sensores PT100. Tomado de [17]

Como lo muestra la Tabla 5, los sensores PT100 tipo A presentan una resolución de ±0.15
°C en un rango de -30 °C a 300 °C, normalmente. No se seleccionó sensores de tipo AA
debido a su precio elevado, aunque tengan rangos menos amplios y menores resoluciones.
Lamentablemente, como tienen resolución de ±0.15 °C, no cumplen estrictamente el
estándar de la norma NTC 5434-2, que es de ± 0.02 °C. Los sensores utilizados en el montaje
fueron fabricados por POLIEM PACK Ltda., la cual se especializa en fabricación de este tipo
de sensores. Estos sensores fueron fabricados de tal modo que sus puntas cupieran en las
tuberías (3 cm).

Ilustración 17 Localización sensores PT100 en el circuito del banco de pruebas.
39

Los sensores de temperatura están ubicados a 80 mm de la salida y entrada del colector y se
encuentran aguas arriba de un accesorio de codo para tubería,
cumpliendo con lo estipulado
en la norma (ver Ilustración 17).
6.5.4 Flujómetro
El caudal másico del fluido en el sistema se recomienda que sea de 0.02 kg/s. Por lo tanto, se
usó el flujómetro existente en la Universidad de los Andes, el cual es un YF-S201 donde sus
características son apreciadas en la Ilustración 18. Sus rangos de operación, tanto de caudal
como de temperatura, cumplen los estándares de operación del banco de pruebas.

Ilustración 18 Características del flujómetro YF-S201. Tomado de [18]
Debido a que el sensor posee una precisión de 10% (la norma recomienda un 1% de
precisión), se requiere disminuir lo mayor posible dicha propiedad. Afortunadamente,
Rodolfo Albarracín utilizó un método para encontrar la constante necesaria para lograr una
precisión menor (aproximadamente 5%). Esta constante es la frecuencia de muestreo, que en
la Ilustración 18 es de 7.5 Hz, y el valor obtenido por Rodolfo fue de 5.42 Hz [11].
Finalizando, las conexiones deben ser de la siguiente manera:
40

Ilustración 19 Conexiones flujómetro YF-S201. Tomado de [18]

Como se indica en la norma NTC 5434-2, el flujómetro se ubicó aguas arriba de la válvula
de control de caudal y aguas abajo del controlador de temperatura, como se ve en la
Ilustración 20.

Ilustración 20 Localización flujómetro en el circuito del banco de pruebas

6.5.5 Sensor de velocidad del aire
Como se mostró en la sección 6.5.3.1, se utilizó un mini termo-anemómetro EXTECH para
realizar la medición de la temperatura del aire. Este anemómetro también cumple la función
de sensor de la velocidad del aire y, según la Tabla 4, tiene un rango de operación entre 0.5
y 28 m/s con una resolución de ±0.1 m/s, los cuales se adaptan bien a la norma. También, la
Ilustración 16 detalla la localización exacta en el colector, alineado perpendicularmente al
plano del área de apertura del colector y a una altura de aproximadamente 40 mm, valor muy
cercano al indicado en la norma.

6.5.6 Circuito hidráulico
Como se ha mencionado anteriormente, se han usado algunas medidas, cálculos y equipos
del trabajo de Rodolfo Albarracín [11]. Por lo tanto, para comodidad del montaje, se usó casi
en exactitud el mismo circuito hidráulico en las pruebas. El circuito de entrada al colector
consiste en una bomba sumergible, 1 m de manguera de ½ in de diámetro, 1 válvula de bola
de ½ in de diámetro, 0.3 m de tubería de cobre de ½ ion de diámetro, 2 uniones macho-
hembra de HDPE NPT ½, 1 codo HDPE NPT ½, 1 unión T hembra-macho de HDPE NPT
½ y un niple de HDPE NPT ½; mientras que el circuito de salida consiste en otro niple, codo
y unión T de la misma referencia, una unión universal ½ in de diámetro y 2 m de manguera
de ½ in de diámetro. Como Rodolfo lo explica en su documento [11], la razón de usar HDPE
sobre PVC, el cual es regularmente usado en tuberías, es debido a su temperatura máxima de
uso en tuberías, la cual es 110 °C, ya que con las tuberías de HDPE se evita el uso de
soldadura en tubos, la cual presenta fallas de operación cuando el fluido presenta
temperaturas mayores a 30 °C. Las propiedades del HDPE se pueden apreciar mejor en la
Tabla 6:
Tabla 6 Propiedades del polietileno de alta densidad en barras. Tomado de [19]

En la Tabla 7 se presenta un resumen de los componentes del circuito hidráulico:
42

Tabla 7 Resumen componentes totales del circuito hidráulico.
Entrada del sistema
Equipo Especificación Cantidad
Bomba Bomba sumergible HJ-1541 1
Manguera Manguera flexible de 1/2 in 1 m
Válvula Válvula de bola HDPE 1/2 in 1
Tubería de cobre Tubería de cobre 1/2 in 0,3 m
Unión macho-hembra Unión Dicol 1/2 in 2
Codo hembra-macho Codo Dicol 1/2 x 1/2 in 1
Unión T hembra-macho Unión Tee Dicol 1/2 x 1/2 in 1
Niple Niple Dicol 1/2 x 4 cm 1
Salida del sistema
Niple Niple Dicol 1/2 x 4 cm 2
Codo hembra-macho Codo Dicol 1/2 x 1/2 in 1
Unión T hembra-macho Unión Tee Dicol 1/2 x 1/2 in 1
Unión universal Rosca de 1/2 in 1
Manguera Manguera flexible de 1/2 in 2 m

6.5.7 Bomba
Siguiendo el trabajo anterior de Rodolfo, en la Universidad de los Andes se encuentra una
bomba HJ-1541, la cual permite sumergirse en agua y dar hasta una potencia de 28 W, según
la Ilustración 21. De esta manera, según los cálculos de Rodolfo, el sistema requiere
aproximadamente una cabeza de agua de 3.15 m, y usando esta cabeza para encontrar la
potencia requerida por la bomba se obtuvo el valor de 5.6 W [11].
43

Ilustración 21 Curva y datos técnicos de bomba sumergible usada, Tomado de [20]
Como la bomba es sumergible, se ubicó dentro del balde de agua, debajo del colector, para
que la radiación solar no influyera en la temperatura del agua.

Ilustración 22 Localización de la bomba sumergible
44

6.5.8 Regulador de temperatura
Para garantizar una correcta medición de temperaturas y evidenciar la eficiencia térmica a
diferentes puntos, la temperatura del agua a la entrada debe estar controlada por un sistema.
Debido a esto, el controlador usado está compuesto por un par de resistencias eléctricas y un
controlador Logo de Siemens, los cuales fueron tomados del diseño hecho por Rodolfo [11].

6.5.8.1 Resistencias térmicas
Se instalaron dos tuberías de cobre, cada una con una resistencia eléctrica de 1kW de 220 V,
y se doblaron en forma de U justo aguas arriba del flujómetro. Esto con el fin de que el agua
quede lo más cerca del sensor a la entrada del colector. Dichas resistencias alcanzan
temperaturas por encima de los 50°C, por lo tanto, su aplicación al montaje encaja bien con
los rangos de temperatura del agua (20 °C-40 °C).

Ilustración 23 Tubería con resistencias eléctricas
Las resistencias fueron conectadas al controlador Logo, del cual se hablará a continuación.

6.5.8.2 Controlador Logo Siemens
El sistema que permite un control de la temperatura de entrada se logró con un Logo Siemens
junto con su software: Logo Soft! v8.1. Este software permite, mediante un lenguaje de
bloques, crear un threshold entre las temperaturas deseadas, teniendo en cuenta que el valor
máximo vendría siendo el valor de temperatura de entrada, para que el sistema apague las
resistencias cuando la temperatura pasa dicho límite. En adición, a este dispositivo se conectó
la bomba para que a partir de esta torre de control se activara todo el banco de pruebas. El
código utilizado fue una versión muy similar a la usada por Rodolfo [11]. Para comprobar
que el sistema realiza un debido control de temperatura se hizo una prueba, la cual se pueden
sus resultados en la Ilustración 24.

Ilustración 24 Prueba de control de temperatura
Estos resultados indican que tanto los sensores como el controlador Logo permiten una
resolución de 0.1 °C o 0.1 K. En la Ilustración 25 se puede observar la torre con el dispositivo
Logo Siemens.

30
30,1
30,2
30,3
30,4
30,5
0 120 240 360 480 600
Te
m
p
er
at
u
ra
[
°C
]
Tiempo [s]
Control de Temperatura
46

Ilustración 25 Controlador Logo Siemens con sus componentes eléctricos

6.6 Mejoras del diseño del colector híbrido
Como la segunda parte del proyecto es presentar una mejora en eficiencia térmica del
colector, se necesitó hacer modificaciones en la estructura del intercambiador de calor de
este, y específicamente se trabajó en las uniones de entrada y salida del colector y en el
arreglo de tubos del intercambiador de calor.

6.6.1 Conector de entrada y salida del colector
De acuerdo al trabajo realizado por Rory [8], su diseño del intercambiador incluía tubos de
sección rectangular y cuadrada, de esta manera aumentando el área de contacto con la placa
de cobre (sus planos de diseño se pueden ver en el Anexo B). Como el intercambiador usado
por Rodolfo comenzaba y terminaba en una tubería de cobre de ½ in de diámetro, estos se
ajustaban perfectamente a las roscas NPT de
las tuberías de HDPE. Sin embargo, el
intercambiador de Rory terminaba en una sección cuadrada de ¾ in y tuvo que diseñar y
fabricar, por impresión 3D, una pieza hembra-macho con sección cuadrada interna de ¾ in y
sección tubular de ½ in de diámetro, respectivamente, así facilitando la unión al circuito con
una unión hembra lisa-hembra NPT ½ (ver Ilustración 26 y Anexo C para el plano de diseño).
Sin embargo, dicha unión al realizar pruebas hidrostáticas con el banco de pruebas
presentaban fugas en dichas uniones, (y también fugas internas, las cuales se profundizarán
en la sección 6.6.2) las cuales se pueden apreciar en la Ilustración 26 e Ilustración 27.
48

Ilustración 26 Fugas en unión impresa en 3D

Ilustración 27 Presencia de gotas de agua por debajo del colector debido a fugas internas
Para solucionar esto, se diseñaron dos piezas en aluminio, para la entrada y salida del
colector, que encajaran en el tubo de sección cuadrada y tuvieran uniones hembra NPT ½
49

(ver Ilustración 28 e Ilustración 29). Las dimensiones globales de la pieza individual son de
19.4 x 19.4 x 22 mm (las demás dimensiones se pueden apreciar mejor en el Anexo
D).También, en la Ilustración 28 se puede ver una reducción de longitud de más del 50% en
la pieza de unión. En las pruebas hidrostáticas realizadas con las nuevas piezas de unión no
se presentó ningún tipo de fuga a la entrada y salida del colector.

Ilustración 28 Pieza de unión en aluminio al lado de la pieza de unión impresa en 3D

Ilustración 29 Unión de aluminio acoplada al circuito hidráulico
50

6.6.2 Intercambiador de calor
Para encontrar mejoras en la eficiencia térmica del colector era necesario modificar el
intercambiador de tubos que se encuentra dentro de este, ya que al momento de realizar
pruebas hidrostáticas del montaje y a la hora de tomar valores de la primera caracterización,
se encontraron fugas por debajo del colector, indicando fugas internas del intercambiador de
calor. Para esto se tomaron en cuenta las variables influyentes en dicha eficiencia (área de
transferencia de calor, energía calorífica entrante, velocidad del fluido de transferencia de
calor, etc.) y se concluyó que la variable que se puede modificar con mayor facilidad sin
cambiar las constantes de las mediciones sería el área de transferencia de calor.

La primera opción de aumentar el área de transferencia de calor fue diseñar una especie de
“laberinto” semejante a los intercambiadores de placas intercambiables. Sin embargo, crear
ese laberinto requiere muchas horas en soldadura, debido a que se requieren crear cordones
de soldadura en cada unión de pared. En consecuencia se decidió implementar el mismo
diseño de Rory [8] pero aumentando el número de tubos rectangulares de sección de 1 ½ x
¾ in, así aumentando el área de transferencia de calor. Ambos planos de diseño, tanto de
Rory como del nuevo intercambiador, pueden ser vistos en los Anexos A y E,
respectivamente.

Ilustración 30 Proceso de soldadura del intercambiador de calor

Ilustración 31 Localización de primeras fugas en juntas de soldadura
Como se ve en la Ilustración 31, al momento de soldar los tubos se presentaron múltiples
fugas en toda la estructura. Para corregir esto se reforzaron los cordones de soldadura en
dichos puntos hasta que quedara completamente sin fugas, comprobándolo mediante pruebas
hidrostáticas con aire a presión.

6.7 Montaje final del banco de pruebas
6.7.1 Eficiencia eléctrica
Debido a que la caracterización del colector híbrido es completa, se realizó el montaje para
determinar la eficiencia eléctrica del arreglo de celdas fotovoltaicas. Para esto, se procedió a
52

realizar el esquema eléctrico mostrado en la Ilustración 32 el cual, además de ser el propuesto
por la norma NTC 4405, es usado comúnmente al momento de caracterizar paneles
fotovoltaicos.

Ilustración 32 Esquema eléctrico para ensayos en paneles fotovoltaicos. Tomado de [10]
De esta manera se consiguen valores acordes de corriente y voltaje según la varianza de la resistencia utilizada. La
Ilustración 33 presenta los instrumentos utilizados para tomar tanto las medidas variables (Corriente y Voltaje) como las
medidas constantes (Voc y Isc) y la
Tabla 8 se presenta el listado de estos instrumentos. Cabe añadir que las mediciones de la
parte eléctrica del colector se hicieron en horas del medio día con una radiación promedio de
855 W/m2 aprox., y que esta medida no se hizo al mismo tiempo que la medida de la
eficiencia térmica.

Ilustración 33 Montaje final para encontrar la eficiencia eléctrica de las celdas fotovoltaicas
53

Tabla 8 Listado de instrumentos usados en la caracterización de la eficiencia eléctrica
Instrumento Resolución
Voltímetro Fluke 117 0.01 V
Voltímetro Fluke 87 V 0.01 mV
Amperímetro Fluke 376 0.1 A
Resistencia Phywe SE6 10 Ω-5.7 A

6.7.2 Eficiencia térmica
Las pruebas realizadas con el banco de pruebas se llevaron a cabo entre las 11 y 12 am del
día, así esperando la mayor irradiancia posible. Sin embargo, esto no se logró debido a
condiciones climáticas (se explicará más adelante). Según la norma, se debe encontrar la
constante de tiempo la cual indica el tiempo de duración de las medidas de cada temperatura
de entrada, que es 4𝝉 (4 veces la constante de tiempo). Esta constante de tiempo equivale al
valor en la ordenada cuando la abscisa llega al 63.2% de su valor máximo, como se ve en la
Ilustración 34.

Ilustración 34 Prueba para encontrar la constante de tiempo del colector
Por lo tanto, el valor de 𝜏 es de aproximadamente 325 segundos (5.4 minutos), dando como
resultado un tiempo de medición de 21.6 minutos.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 100 200 300 400 500 600 700 800
T_
o
-T
_a
[
K
]
t [s]
Diferencia entre T_o y T_a en el tiempo
54

El montaje final para caracterizar la parte térmica del colector híbrido se puede apreciar en
la Ilustración 35.

Ilustración 35 Montaje final para caracterizar la eficiencia térmica

7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Como se ha mencionado a lo largo del documento, los resultados a obtener a través de las
múltiples mediciones eran resultados de eficiencia eléctrica y resultados de eficiencia
térmica, éste último tanto del colector diseñado y fabricado por Rory Macpherson como el
colector modificado. A continuación, se discutirán dichos resultados.
7.1 Eficiencia eléctrica del colector híbrido
Como se ha mencionado, la eficiencia eléctrica de un panel o módulo solar se da a partir de
la variación de la corriente contra el voltaje que genera éste. La capacidad de un panel solar
está en cuánta potencia puede generar de acuerdo a la radiación solar incidente. Por esta razón
las curvas de corriente vs voltaje de paneles con diferentes valores de potencia tienen un
parecido con las gráficas en la Ilustración 36.

Ilustración 36 Curva normal I-V como función de la intensidad de radiación solar. Tomado de [10]
De esta manera, se procede a graficar los resultados obtenidos:
56

Ilustración 37 Gráfica de resultados de corriente y potencia vs voltaje

Ilustración 38 Gráficas normales de corriente y potencia en una celda solar. Tomado de [21]

0
10
20
30
40
50
60
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 2 4 6 8 10 12 14 16
P
o
te
n
ci
a
[W
]
C
o
rr
ie
n
te
[
A
]
Voltaje [V]
Corriente Potencia
57

La Ilustración 37 se ven las curvas de corriente y potencia contra los valores de voltaje (los
cuales se asemejan a las curvas presentadas en la Ilustración 38). Finalizando, se graficaron
los valores de eficiencia eléctrica para cada valor de potencia registrado en las mediciones,
encontrando que la mayor eficiencia posible del arreglo de celdas fotovoltaicas es de 11.7%
(ver Ilustración 39), siendo un valor notoriamente cercano a la eficiencia teórica
encontrada
en la referencia de celdas utilizadas por Rory [8], la cual tiene un valor promedio de 17%
[22], siendo esta diferencia un valor aceptable debido a posibles fallas de empaquetamiento
y funcionamiento de las celdas (ver Ilustración 41). Otra posible razón a la eficiencia
experimental del arreglo de celdas se debe a la temperatura de estas (debido a que la prueba
se hizo con el colector térmico funcionando a 30 °C (Tm)), ya que, según la Ilustración 40, la
potencia eléctrica producida por los paneles fotovoltaicos decrece a medida que aumente la
temperatura.

Ilustración 39 Gráfica de resultados de eficiencia eléctrica vs voltaje
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
14%
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ef
ic
ie
n
ci
a
el
éc
tr
ic
a
Voltaje [V]
58

Ilustración 40 Efecto de la temperatura sobre la potencia eléctrica en paneles PV. Tomado de [23]

Ilustración 41 Celda dañada del colector PV/T
7.2 Eficiencia térmica del colector híbrido
Debido a que la eficiencia térmica fue la propiedad del colector que se escogió para mejorarla,
se realizaron dos caracterizaciones: una de la estructura del módulo fabricado por Rory
Macpherson y otra del módulo con el intercambiador de calor rediseñado.
59

7.2.1 Caracterización módulo original
A la hora de realizar la toma de datos de temperatura para la caracterización del módulo
original no hubo las condiciones esperadas. Los valores registrados de radiación solar fueron
muy variantes (desde 800 W/m2 hasta 200 W/m2), y también los valores de radiación altos
fueron intermitentes por periodos muy cortos, debido a la alta densidad de nubes por los
últimos días de Abril y los primeros días de Mayo. Por este motivo lastimosamente no se
alcanzó el valor mínimo recomendado por la norma NTC 5434-2 (700 W/m2) [9] y solamente
se pudo realizar la caracterización a 0° de inclinación del colector, porque los puntos donde
se encontraron mejores valores de irradiancia fue a las horas cercanas al mediodía.

De acuerdo a la Ilustración 42, la regresión obtenida fue una regresión lineal. Esto se debe a
que al realizar una regresión cuadrática el coeficiente que acompaña a la variable de grado 1
era menor a 0 (ver sección 5.2.1.2). En consecuencia se obtuvo la regresión lineal mostrada
en la Ilustración 42 donde la eficiencia térmica característica del colector solar vendría a ser
de 51.51 %, que es la intersección de la recta con el eje y en la gráfica. Cabe recalcar que
este valor de eficiencia térmica es mayor al valor obtenido por Rodolfo que fue de 24.6 % a
0° de inclinación [11].También, al ver la Ilustración 43, la gráfica de resultados sigue su
forma, pero se puede ver que la intersección en el eje y de la gráfica de esta Ilustración es de
aproximadamente 80 %, ya que ese es el valor promedio de eficiencia térmica en los
colectores solares comerciales de cubierta plana cerrada. Esta diferencia puede ser causada
por un aislamiento térmico imperfecto, existencia de una pequeña resistencia térmica entre
los tubos y la platina de cobre debido a una mala aplicación de pasta térmica o a la resistencia
térmica que ejercen las celdas solares.
60

Ilustración 42 Gráfica de caracterización del módulo original

Ilustración 43 Curva normal de eficiencia térmica para un colector solar. Tomado de [24]

y = -10,488x + 0,5151
R² = 0,941
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035
Ef
ic
ie
n
ci
a
té
rm
ic
a
(Tm-Ta)/G [K/(W*m^-2)]
61

7.2.2 Caracterización módulo mejorado
Como se mencionó en la sección anterior, las condiciones de radiación solar en el momento
de la caracterización no fueron los deseados. En el caso del nuevo intercambiador de calor
hubo un valor máximo menor al anterior caso (650 W/m2). Esto causó que los valores de
eficiencia se mostraran muy dispersos, como se puede ver en la Ilustración 44. De la misma
manera, la regresión cuadrática no era una opción debido al valor negativo del coeficiente de
la variable de grado 1, entonces se usó también una regresión lineal. La ecuación de esta
regresión indica que la máxima eficiencia lograble del colector con el nuevo intercambiador
es de 60.21 %.

Ilustración 44 Gráfica de caracterización del módulo mejorado
Comparando la Ilustración 42 y la Ilustración 44 se puede apreciar la diferencia de
exactamente 8.7 %, indicando un mejoramiento en la eficiencia térmica del colector.
También cabe resaltar que la gráfica de resultados mejorados no se ajusta al valor de
eficiencia de 80% de la Ilustración 43, pero puede obtener mejores valores al realizarse la
caracterización en condiciones meteorológicas más favorables.

y = -14,819x + 0,6021
R² = 0,911
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030
Ef
ic
ie
n
ci
a
té
rm
ic
a
(Tm-Ta)/G [K/(W*m^-2)]
62

8. CONCLUSIONES
Principalmente, comparando los resultados obtenidos en el trabajo de Rodolfo, se puede
concluir que el cambio de tubos cilíndricos a unos con perfil rectangular ocasiona un
incremento en la eficiencia térmica en el colector PV/T, el cual fue de 24.6 % a un 50.96 %.
Incluso estando lejano de los valores de eficiencia térmica en colectores solares comerciales,
ésta técnica puede ser implementada en estos colectores y generar un incremento en su
eficiencia sin tener que cambiar de colector de cubierta plana por uno de tubos de vacío, los
cuales logran una eficiencia térmica un poco mejor, pero a un costo mucho mayor.

El diseño y fabricación de un nuevo intercambiador de calor con 3 tubos rectangulares
adicionales presentó un aumento del 7.5 % en la máxima eficiencia térmica lograble del
colector. La adición de más tubos al intercambiador no es posible debido a las limitaciones
en la geometría de la cobertura del panel y a la imposibilidad de crear cordones de soldadura
en espaciamientos entre tubos más pequeños. Un posible método para aumentar dicho
incremento en la eficiencia térmica sería cambiar el material de los tubos de aluminio a cobre,
incrementando demasiado los costos de producción, pero también la transferencia de calor.

Los resultados obtenidos del colector PV/T, de acuerdo a la eficiencia eléctrica, no
presentaron ninguna ineficiencia por parte de equipos o condiciones meteorológicas. El
colector presentó una eficiencia máxima de 11.7 %, estando 5.3 % de eficiencia eléctrica por
debajo del valor comercial de cada celda. Esto pudo ser debido a las condiciones en la que
se encontraban las celdas dentro del encapsulado, sin embargo, existen reportes que indican
cambios en la eficiencia eléctrica de las celdas estando a temperaturas diferentes (a mayores
temperaturas menores eficiencias). Si no se toman en cuenta las celdas maltratadas (ya que
no estarían generando una corriente eléctrica) teóricamente la eficiencia eléctrica del arreglo
de celdas vendría a ser de 12.3 %. En adición, ambos valores de eficiencia eléctrica, están
por encima de los resultados obtenidos por Rodolfo con celdas solares policristalinas, los
cuales están en el rango de 2 % y 2.25 %.

9. REFERENCIAS
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https://www.economist.com/news/21566414-alternative-energy-will-no-longer-be-
alternative-sunny-uplands. [Accessed: 09-Apr-2018].
[2] UPME, “Mapas de Radiación Solar Global Sobre una Superficie Plana,” p. 40.
[3] “Cartografía de radiación solar mundial - Gis&amp;Beers.” [Online]. Available:
http://www.gisandbeers.com/cartografia-de-radiacion-solar-mundial/. [Accessed: 05-Apr-
2018].
[4] “How Do Photovoltaic (PV) Solar Cells Work?” [Online]. Available:
http://cleangreenenergyzone.com/how-do-photovoltaic-pv-solar-cells-work/. [Accessed: 05-
Apr-2018].
[5] “DIY Solar Panel (part 2) - Valify.” [Online]. Available: http://valify.se/2018/02/26/diy-solar-
panel-part-2/. [Accessed:
05-Apr-2018].
[6] “Colector Solar Plano.” [Online]. Available: http://www.energiasolar.lat/colector-solar-
plano/. [Accessed: 05-Apr-2018].
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of upward type baffled solar air heaters,” Energy Convers. Manag., vol. 41, no. 9, 2000.
[8] R. Macpherson and A. Gonzalez, “HYBRID PHOTOVOLTAIC-THERMAL ( PV / T )
SOLAR COLLECTOR,” Universidad de los Andes, 2017.
[9] Icontec International, “Norma Técnica Colombiana NTC 5434-2,” 2011.
[10] Icontec International and INEA, “Norma Técnica Colombiana NTC 4405,” 1998.
[11] R. Albarracín and A. Gonzalez, “DISEÑO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA LA
CARACTERIZACIÓN DE UN COLECTOR HÍBRIDO TERMO-FOTOVOLTAICO (PV/T)
PARA LAS CONDICIONES CLIMÁTICAS DE BOGOTÁ,” Universidad de los Andes,
2017.
[12] P. Kovacs, “Quality Assurance in solar thermal heating and cooling technology – keeping
track with recent and upcoming developments,” 2012.
[13] SensoVant, “Piranómetro SR11 clase A.” [Online]. Available:
http://sensovant.com/productos/meteorologia/radiacion-solar/articulo/piranometro-clase-A-
primera-clase-SR11.html. [Accessed: 15-May-2018].
[14] EPLAB, “Standard Precision Pyranometer Model SPP.”
[15] Eppley, “ISO 9060 Pyranometer Classification,” 2016.
[16] EXTECH Instruments, “Mini Thermo-Anemometer Series,” 2011.
[17] Pentronic, “Tolerance classes for Pt100 thermometers according to IEC 60751,” 2008.
[18] Hobbytronics, “YF-S201 Hall Effect Water Flow Meter / Sensor |.” [Online]. Available:
http://www.hobbytronics.co.uk/yf-s201-water-flow-meter. [Accessed: 22-May-2018].
[19] Plasticbages, “Tablas con las caraterísticas técnicas y propiedades del polietileno en formato
de barras y placas de plasticbages.” [Online]. Available:
64

http://www.plasticbages.com/caracteristicaspolietileno.html. [Accessed: 24-May-2018].
[20] R. Giraldo and A. Gonzalez, “HYBRID PHOTOVOLTAIC-THERMAL (PV/T) SOLAR
COLLECTOR,” Universidad de los Andes, 2017.
[21] H. Boileau, “7. Electric Characteristics of Photovoltaic Cells and Modules,” Univ. Bordeaux.
[22] Amazon, “Amazon.com : 80pcs 5x5 Mono Solar Cells KIT w/ Tabbing Bus Wire, Flux Pen
DIY 200W Panel : Garden &amp; Outdoor.” [Online]. Available:
https://www.amazon.com/80pcs-Solar-Cells-Tabbing-
Panel/dp/B01AA2WI0M/ref=sr_1_6?ie=UTF8&qid=1491240906&sr=8-
6&keywords=monocrystalline+solar+DIY+kit. [Accessed: 27-May-2018].
[23] V. J. Fesharaki, M. Dehghani, J. J. Fesharaki, and H. Tavasoli, “The Effect of Temperature on
Photovoltaic Cell Efficiency,” Power and Water University of Technology, 2011.
[24] CECU, “Energía Solar Térmica Proyecto RES & RUE Dissemination.”

10. ANEXOS
10.1 ANEXO A

10.2 ANEXO B

10.3 ANEXO C

10.4 ANEXO D

10.5 ANEXO E

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