Diseñan colector solar de bajo costo

Por Marytere Narváez

Mérida, Yucatán. 25 de diciembre de 2016 (Agencia Informativa Conacyt).- Con el objetivo de disminuir el consumo de hidrocarburos, energía eléctrica y los costos elevados de adquisición e instalación de calentadores solares disponibles en el mercado, investigadores de Larc Industries, la Universidad Anáhuac Mayab, la Universidad Modelo y la Universidad Tecnológica Metropolitana diseñaron un colector solar de bajo costo hecho a partir de materiales termoplásticos.

En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, José Díaz Basteris, gerente de innovación de la empresa Larc Industries, señaló que el diseño del calentador está basado en las propiedades de los tubos capilares que se encuentran incluso en el cuerpo de los seres humanos.

“Lo que hicimos en este sistema son pequeñas tiras donde hay una cantidad de agua que recibe energía por medio del sol que logra calentarla de manera rápida. Por medio de termodinámica, el agua de la parte de abajo que está fría llega a la parte de arriba ya caliente”, comentó.

Rubén Domínguez Maldonado, profesor investigador de la Universidad Anáhuac Mayab, señaló que una de las ventajas que ofrece el colector es que el diámetro de los tubos capilares de los que está compuesto permite elevar la temperatura del flujo del agua que circula a través de estos por el método de termosifón.

“Esto permite elevar la temperatura por un método que se llama termosifón, que hace que ascienda el flujo básico de mayor temperatura hacia la parte superior y se introduzca en el termotanque”, apuntó.

José-Basteris-Díaz-y-Rubén-Domínguez-Maldonado1.jpg El diámetro de los tubos capilares oscila usualmente entre tres y 15 milímetros para lograr la temperatura en calentadores solares, aunque la medida exacta lograda en el proyecto es parte del diseño que ha permitido controlar la temperatura y se considera secreto industrial.

“Ha sido toda una travesía el juego con los diferentes diseños para lograr que esta temperatura oscile entre los 40 y 50 grados Celsius, que es la temperatura ideal para un baño caliente”, apuntó Díaz Basteris.

De acuerdo con el investigador, el objetivo principal está orientado a que personas de escasos recursos puedan bañarse con agua caliente o precalentar el agua de la cocina con esta tecnología, con la finalidad de disminuir el consumo energético de gas, electricidad, madera o derivados de petróleo.

“La idea es poder reducir gastos y precisamente de esos derivados del petróleo salen los termoplásticos que estamos utilizando, es decir, estamos tomando materia que ya fue utilizada como combustible y convirtiéndola en algo que haga que utilicemos menos energía”, recalcó.

Técnica de rotomoldeo para materiales de una pieza

Entre las diversas técnicas que existen para los manejos de plásticos, Larc Industries le ha apostado a la técnica del rotomoldeo, que consiste en desarrollar un molde que contiene el material plástico en su interior y gira de manera controlada bajo cierta temperatura.

“Dependiendo del tipo de mezcla que hay adentro, se necesita cierta temperatura y al momento en que gira el molde, el material se va pegando a este de tal manera que cuando se logra enfriar el molde, solo tiene que abrirse y tienes una pieza completa ya formada”, explicó Díaz Basteris.

En palabras del ingeniero químico industrial, la ventaja de tener un material de una sola pieza radica en que tienen una durabilidad muy alta, aunque el proceso de diseño suele ser complicado y exige muchas ecuaciones matemáticas y físicas.

El colector solar está hecho a base de polietileno, propileno y diferentes termoplásticos que, al fundirse a bajas temperaturas (entre 150 y 200 grados Celsius), puede ser reutilizado para diversos fines prácticos y decorativos (puede ser un kayak, un pupitre o una banca).

En el proceso, los materiales pierden ciertas propiedades mecánicas que pueden recuperarse con la adición de otros tipos de termoplásticos y materiales cálcicos, según Díaz Basteris.

Pruebas de envejecimiento y eficiencia

De acuerdo con Domínguez Maldonado, la Universidad Anáhuac Mayab colaboró en el desarrollo del colector solar a través de la evaluación del proceso de envejecimiento del material en una cámara de rayos ultravioleta y en una cámara de arco de xenón.

“La eficiencia de los colectores solares tiene mucho que ver precisamente con la absorción de energía que tiene el colector cuando los rayos inciden sobre este, entonces conforme se utiliza el equipo y se deja a la intemperie, el material va envejeciendo y presenta pérdidas de propiedades”, expresó.

Las pruebas de envejecimiento del material se realizaron de acuerdo con las normas de la ASTM International (American Society for Testing and Materials), mientras que las mediciones de percepción de color siguieron el criterio CIELAB, escala de medición de color internacional que permitió observar el efecto de la pérdida de color en los materiales, en comparación con el modelo estándar para evaluar el efecto en la pérdida de eficiencia.

“Dentro de los estudios de intemperismo acelerado (prácticamente hicimos estudios de un año, que es equivalente a un mes) y basados en las normas, vemos que el material tiene una durabilidad segura de al menos cinco años, aunque puede llegar a durar hasta 10, y un calentador de gas dura alrededor de cinco años”, señaló Díaz Basteris.

La ventaja que ofrece el calentador solar es la disminución de su costo frente a los calentadores de gas, eléctricos y otros calentadores solares disponibles en el mercado, además de disminuir el consumo energético. “La idea es que puedas tener agua caliente sin la necesidad de consumir gas”, apuntó.

Además de capacitar a las empresas encargadas de distribuir el colector solar para su instalación, los investigadores realizarán un manual que estará disponible en línea para que cualquier usuario pueda instalar el colector solar en su propio techo.

“Por el diseño del material y del colector en particular, en cualquier posición y ángulo que se coloque va a proporcionar agua caliente. A los lados tiene las conexiones para las tuberías donde prácticamente uno puede conectar la tubería que va directo a la regadera o al lavabo, conectar la tubería de entrada de agua y gracias al diseño interno del colector, el agua fría entra de un lado y el agua caliente sale del otro. Es algo muy sencillo, solo es conectar dos tuberías y poner el colector en el techo”, explicó Díaz Basteris.

Colector solar y termotanque

El calentador consta de dos partes: el colector solar conformado por tubos capilares que absorben la energía emitida por el sol y el termotanque de polietileno manufacturado por la técnica de termoformado, que almacena la energía ganada durante el día para ser utilizada posteriormente por el usuario. “El cliente podrá decidir si quiere el paquete completo, si quiere el tanque para almacenar el agua o si quiere solo el colector para una llave de paso”, comentó Díaz Basteris.

El diseño del termotanque es similar a un tanque estacionario y tiene un recubrimiento exterior de poliestireno (parecido a la nieve seca) que permite almacenar el calor que está en el interior del tanque, mismo que está hecho de un termoplástico que no genera intercambio entre el agua de su interior y el aire del exterior. “Con la capa de poliestireno se logra un aislante donde se puede tener agua a 50 grados hasta por cinco días, sin la necesidad de meter más energía”, señaló Díaz Basteris.

Desarrollo de planta piloto

Actualmente, el prototipo se desarrolla en una planta piloto con el objetivo de implementar una pequeña línea de producción. Gran parte del trabajo se encuentra en el diseño geométrico del molde, que reducirá los costos de producción y de venta al producirlo de una sola pieza.

“Si uno compara el proceso de producción de un calentador solar de tubos de cobre tradicionales que se manufacturan en la industria, dependiendo de la línea de producción, el proceso de manufactura puede tomar de seis a 12 horas para obtener un producto. La ventaja de este colector solar es que por la técnica de rotomoldeo, el tiempo de manufactura puede reducirse a aproximadamente 15 minutos”, expresó Domínguez Maldonado.

Aunque el tiempo de elaboración varía de acuerdo con las medidas evaluadas, los investigadores han demostrado que en un día pueden obtenerse hasta nueve piezas, mientras que otros procedimientos pueden tomarse todo un día para armar una sola pieza.

“Gran parte de las ventajas de manufactura es que es una planta que ya funciona actualmente con otros productos y esta propuesta se sumaría a una línea nueva de producción que generaría más empleos y un producto local que pueda generar riqueza para el estado”, apuntó Díaz Basteris.

El proyecto ha contado con la estrecha colaboración de la Universidad Anáhuac Mayab desde el planteamiento de la estrategia, así como con el Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY) para la evaluación de pruebas mecánicas; la Universidad Modelo y la Universidad Tecnológica Metropolitana, en el diseño de los colectores y la aplicación de pruebas térmicas; así como con el respaldo de la empresa yucateco-americana Larc Industries, dirigida por Luis Alfonso Rodríguez Campos.