Presentación Trabajo de Título

Universidad de La Frontera
Facultad de Ingeniería, Ciencias y Administración
Departamento de Ingeniería de Obras Civiles

Análisis de Generación y Aprovechamiento
Pasivo de Energía Solar en Viviendas Rurales

Trabajo de título para optar al título de
Ingeniero en Construcción

Profesor Guía: Ing. Juan Pablo Cárdenas Ramírez

HECTOR ALEJANDRO MARQUEZ BASCUR
- TEMUCO, ENERO, 2012 -

“Vivimos en un mundo limitado que vamos
consumiendo poco a poco, como gusanos una
manzana, y que necesitamos atender y cuidar
para que futuras generaciones puedan seguir
disfrutando de él. El buen uso de la tecnología
nos puede ayudar a que más gente, durante más
tiempo disfrute del planeta en que vivimos,
aprovechando la energía del Sol, la gran caldera
de las casas pasivas”
(Javier Crespo Ruiz de Gauna)

¿Se puede provechar la energía del Sol en La
Araucanía?

Si se logran técnicas o artefactos: ¿A qué sector
deberían ir orientados?

“La ruralidad y la pobreza son fenómenos multidimensionales de índole
cultural, social y económico caracterizados por:

1. Exclusión y discriminación social y económica debido al origen
étnico y al género
2. Carencia de acceso o acceso limitado a los servicios destinados a
satisfacer las necesidades básicas de las familias rurales
(salud, educación, vivienda, etc.)
3. Niveles de ingreso inferiores a la cantidad mínima necesaria para
obtener el conjunto básico de bienes y servicios para la familia”.
(García Ramón et al., 1995)

La pobreza rural “debe ser concebida como un
proceso en que los seres humanos presentan y
desarrollan patrones sociales y de comportamiento
que sirven de guía a sus acciones y relaciones
dentro y fuera de sus hogares y comunidades… más
que una categoría demográfica o clase
socioeconómica la pobreza es una actitud de vida”
(FIDA, 2000)

La Araucanía es una región postergada respecto a
las otras regiones en 20 años de rezago, que se
manifiestan en:
• el PIBpobreza rural “debe ser Chile - 41%
La per cápita más bajo de concebida como un
proceso en que los seres humanos presentan y
• La tasa de desempleo 38.000 háb
desarrollan patrones sociales y de comportamiento
que sirven de guía a sus acciones yháb
• La indigencia 90.000 relaciones
dentro y fuera de sus hogares y comunidades… más
que una categoría demográfica o clase
socioeconómica la pobreza es una actitud de vida”
(FIDA, 2000)

27,1%
Vive bajo la
línea de la
pobreza.

32,0%
311.145 hab.
Vive zonas rurales.



CONTEXTO

Aprovechamiento pasivo de energía.

1. rel. Toda técnica o artefacto capaz de calentar o
refrigerar, con una demanda de energía tan baja, que
hace innecesario el uso de algún sistema tradicional de
aporte energético de forma constante.

El Sol:
La gran
caldera de los
elementos
pasivos.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:TheSun.png

Irradiación Solar.

Chile presenta un tremendo potencial en energía solar y
brinda condiciones para su aprovechamiento.
La Energía Solar es un recurso renovable, gratuito en su
origen, universal en su distribución, inconmensurable en
su disponibilidad.

15.000.000
grados Celsius
(en su interior)

6.000
grados Celsius
(en su exterior)

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:TheSun.png

15x1017
53%
reflejada
kWh/año

3x1017
kWh/año

4500
consumo E recibo de E
4000
4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000 3x1017
kWh/año
500
1
0

Energía (kWh/año)

8000

7000

6000

5250 MJ/m2
Irradiación MJ/m2

5000

4690 MJ/m2
4000 Irradiación MJ/m2
media nacional

3000

2000

1000

0
XV I II III IV V RM VI VII VIII IX XIV X XI XII TA

Gráfica irradiación anual en un plano horizontal por región

900

800

700

600
Irradiación MJ/m2

500

400

300

200

100

0
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

IV Región IX Región

Irradiación anual IX región vs. IV región

900

800

700

600
Irradiación MJ/m2

500

30%
400

300

200

100

0



900

800

700

600
Irradiación MJ/m2

500

30%
400

300

200

100
20% 35% 53% 25%
0 verano otoño invierno primavera



Az: 180° al norte Az: 120°
7000 6489.4 6415.3 6204.3
5862.8 7000
6000 6009 5887.5 5795.1 5801.5
Irradiancia (MJ/m2)

6000

Irradiancia (MJ/m2)
5000
3987.7 3856.3 5000 4327.7
4000 3653.2 33853629.3
3757.9 3741.1 3645.1 3488.3
4000
3000 2367 2959.3
Ovalle 3000 Ovalle
2000
Pto. Saavedra 2000
1000 Pto. Saavedra
1000
0
0
21 31 41 51 90
21 31 41 51 90
Inclinación
Inclinación

Az: 90° Az: 0° al Sur
7000 6000 5415.3
5727.8 5695.9 5635.8 5485.6 4869.7
6000 5000
Irradiancia (MJ/m2)

Irradiancia (MJ/m2)
4795 4290.8
5000 3738.9
4000 3250.1
4000 3660.4 3593.8 3591.4 3491.3 2942.5
2930.6 3000
3000 Ovalle 1982.3 1893.82200 Ovalle
2000 1693.8
2000
Pto. Saavedra Pto. Saavedra
1000 1000
0 0
21 31 41 51 90 21 31 41 51 90
Inclinación Inclinación



METODOLOGÍA

Trampa de calor.
FUNCIONAMIENTO:
1. La luz blanca o visible
atraviesa el vidrio
2. La luz blanca calienta el
Objeto a bajas temperaturas
(0-100-200 C)
3. El Objeto al aumentar de
temperatura emite calor en
forma de radiación infrarroja
invisible.
4. Como el vidrio es opaco a este
tipo de radiación, empieza a
acumular energía en el interior
aumentando la cantidad de
calor en un ciclo continuo.

Concentrador solar.

El Concentrador Solar
utiliza la reflexión
especular para hacer
incidir la luz en todas las
zonas de un objeto a
calentar (que puede ser
una olla para cocinar).
Su superficie parabólica
cubierta de espejos
permite a la luz incidente
concentrarla en un solo
punto que se conoce
como foco, maximizando
la ganancia de energía.

Colector solar plano.

El Colector Dinámico de
Botellas permite generar
un flujo continuo de agua
caliente entre el
acumulador y el colector
solar plano, debido a la
convección.
Las botellas reciben la
radiación solar generando
efecto invernadero en su
interior que calienta el
fluido.
El aislante térmico dentro
de las botellas evita
perdidas considerables de
temperatura.

Costos de construcción y
financiamiento.
Costo total Costo

$ 114,797

$ 79,613

$ 29,019

$ 6,165

Colector Solar Plano Horno Solar Cocina Solar



RESULTADOS

Reciclaje.
14% de los desechos en Chile
60% recicladores de base

Reciclaje.

elemento precio
Botellas y bidones desechables todo $120 c/kilo
tamaño transparente
tamaño color verde
tamaño color azul
Bidones y botellas plásticas desechables $100 c/kilo
blancos (ejemplo: diluyentes)
Tapas plásticas. Todas las botellas $80 c/kilo

(fuente: www.atinachile.cl)

Reciclaje.

(fuente: www.tetrapak.com/cl)
Recorte Precio $/kg
blanco 1: papel y cartulina blanca sin impresiones, colorantes y repelentes de 76
humedad
blanco 2: papeles y cartulinas blancas de baja impresión: cartas, fotocopias, 69
hojas de cuaderno, etc.
blanco 3: papeles y cartulinas blancas como magazines, carteles, promociones, 63
etiquetas, envases, etc.
cartón corrugado 11
clasificado 1 29
clasificado 2 10
diario 4
dúplex 13
esquineros 5
guías telefónicas granel 1

(fuente: SOREPA S.A.)

Reciclaje.

(fuente: http://reciclatutetrapack.blogspot.com/)
Recorte Precio $/kg
blanco 1: papel y cartulina blanca sin impresiones, colorantes y repelentes de 76
humedad
blanco 2: papeles y cartulinas blancas de baja impresión: cartas, fotocopias, 69
hojas de cuaderno, etc.
blanco 3: papeles y cartulinas blancas como magazines, carteles, promociones, 63
etiquetas, envases, etc.
cartón corrugado 11
clasificado 1 29
clasificado 2 10
diario 4
dúplex 13
esquineros 5
guías telefónicas granel 1

(fuente: SOREPA S.A.)

Costos Finales.
Costo total Costos alcanzado

$ 114,797

$ 79,613

$ 29,019 $ 26,425

$ 18,885

$ 6,350 $ 6,165
$ 1,190

colector solar plano horno solar cocina solar



Mediciones Preliminares

Trampa de calor.
Día T Máx. °C T mín. °C V viento km/hr Precipitación mm Humedad Eventos
Promedio %
Jueves 26 de abril 2012 14 9 3,0 0,0 87 Niebla
Viernes 27 de abril 15 9 2,0 0,2 89 Niebla, lluvia
Sábado 28 de abril 15 5 6,0 0,0 82 Niebla, chubascos
Domingo 29 de abril 21 10 10,0 0,0 67 N/A
Lunes 30 de abril 17 8 7,0 10,0 86 Niebla, lluvia
Martes 1 de mayo 15 8 4,0 0,0 86 Niebla
Miércoles 2 de mayo 16 9 10,0 0,2 79 Lluvia

26/04/2012
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0:01:25
0:41:25
1:21:25
2:01:25
2:41:25
3:21:25
4:01:25
4:41:25
5:21:25
6:01:25
6:41:25
7:21:25
8:01:25
8:41:25
9:21:25
10:01:25
10:41:25
11:21:25
12:01:25
12:41:25
13:21:25
14:01:25
14:41:25
15:21:25
16:01:25
16:41:25
17:21:25
18:01:25
18:41:25
19:21:25
20:01:25
20:41:25
21:21:25
22:01:25
22:41:25
23:21:25
T °C INT T °C EXT HR % INT HR % EXT

40
18.9 19.3 19.5
35
18.7
30
Temperatura [°C]

25

20
14.8 14.3 14.7 14.3 Salida 2 °C
15
Salida 1 °C
10

5

0
14:18 15:24 16:34 17:49
Tiempo [hora]

Estas medidas fueron tomadas el día 28 de abril de 2012, la temperatura
ambiente 14,5°C, día totalmente nublado, humedad del 63% y vientos de
15 km/hr
Datos meteorológicos proporcionados por Weather Underground, Inc.
Fuente: Aeropuerto Temuco (SCTC)

60
38.6
30.8
50

23.1
40
Temperatura [°C]

16.7
30 Salida 2 °C
Salida 1 °C
17.6
16.5 17.3
20
16.5

10

0
12:41 14:30 15:50 18:20
Tiempo [hora]

Estos datos fueron tomados el día 05 de mayo de 2012, la temperatura
ambiente 16,0 °C, día parcial nublado, humedad del 77% y viento norte a 2
km/hr.
Datos meteorológicos proporcionados por Weather Underground, Inc.
Fuente: Aeropuerto Temuco (SCTC)

Concentrador solar.

el Concentrador Solar fue medido un día
de nubosidad parcial con termocuplas. Se
registraron temperaturas de 275 °C en el
foco del concentrador, satisfaciendo las
expectativas, además cabe considerar que
por reflejar la luz es interesante observar
como oscila la temperatura cuando, por
ejemplo, pasa una nube obstruyendo los
rayos del sol. De 0 °C a 270 °C en cosa de
segundos.



Conclusiones

Conclusiones.
• Para mejorar los índices de desarrollo y pobreza de la región, se debe
aportar en el mejoramiento de la calidad de vida de las personas. El
empezar por las zonas rurales de La Araucanía es una apuesta que cuenta
con oportunidades de desarrollo distintas y variadas de las que ofrece el
radio urbano. En “el campo”, generalmente, se cuenta con la tenencia de
tierra, es decir, hipotéticamente existirían los espacios para el
emplazamiento de proyectos ligados a aportar los índices de desarrollo
enfocados a eficiencia energética y sustentabilidad.

• Las zonas rurales cuentan con altos niveles de artesanía local, gran
capacidad de autosuficiencia y autonomía propicios para el levantamiento
de proyectos y soluciones innovadoras que resuelvan de forma directa los
problemas de degradación e impactos ambientales, el mantener los valores
paisajísticos de la región y a la toma de conciencia en el consumo de
energías renovables no convencionales.

Conclusiones.
• Las soluciones solares se remiten a las condiciones más favorables de clima.

• Primavera y verano en la región, se encuentra baja en un 20% solamente
de las regiones nortinas, que son las más favorecidas en registros de
irradiancia solar. Se puede decir con toda seguridad que el funcionamiento
de sistemas de aprovechamiento solar pasivo, en las épocas
favorables, demostrarán eficacia.
• El Horno Solar, la Trampa de Calor y el Concentrador Solar son de fácil
construcción. No se necesita mano de obra calificada. Los materiales
necesarios y herramientas son de fácil acceso y bajo costo, lo cual favorece
su producción y desarrollo.

Conclusiones.
• Cualquier solución que incluya material reciclado, es un aporte al escaso
14% de reciclaje nacional y puede ser una fuente de generación de
negocios inclusivos en los cuales se puedan integrar a recicladores de base
de zonas urbanas, quienes son responsables del 60% de la recolección de
los desechos domiciliarios.

• La búsqueda de potenciales socios capitales y la generación redes de
negocio futuro dependen de habilidades como negociación efectiva y
presentación de proyectos que no abarca nuestra formación académica
como Ingeniero Constructor. Son necesidades para los tiempos de hoy
debido al dinamismo del mercado y la generación de emprendimientos
que, desde el área de la Construcción, aporten al desarrollo local.

Conclusiones.
• El Colector Solar Plano es el artefacto más prometedor a generar una
solución de carácter formal a bajo costo para las viviendas rurales y
socioeconómicamente vulnerables de La Araucanía. Cada pasada de agua
por el colector cuenta con una ganancia de temperatura de
aproximadamente 5 °C medido en condiciones de «radiación
difusa», nubosidad parcial. Es importante recalcar esto: no tuvo radiación
solar directa y al momento de contar con los rayos directos del sol, mostró
un aporte de temperatura al agua de un 44%.

• En términos de este Trabajo, el Concentrador Solar es el equipo de más
bajo costo de construcción si se asume su realización con material de
desecho. Medido en un día de condiciones no óptimas de irradiancia
solar, marcó un peak de 275 °C en el foco. Es de esperar que para épocas
de verano no sorprenda el llegar a los 500 °C

Conclusiones.
• La Trampa de Calor no cumple los requerimientos esperados en ausencia
de irradiación solar directa. Factores climáticos como la alta humedad
presente en la región – sobre un 85% - y vientos que llegan a 10 km/hr en
otoño, limitan sus prestaciones.

• La generación de equipos solares con material reciclado es de bajo costo. El
aprovechamiento de material en desuso o desecho garantiza la
disminución de costos de construcción en aproximadamente un
70%, además de hacerse cargo de los beneficios económicos, ecológicos y
sociales que tiene el reciclaje.

Sugerencias y comentarios.
• El norte de Chile, la localidad de Villaseca, motiva la realización de este
Trabajo de Título. A mediados de 1988, el ingeniero eléctrico Pedro
Serrano Rodríguez desarrolla proyectos de autoconstrucción participativa
de equipos solares destinados a disminuir el consumo de leña. Veintitrés
años después (2011), el académico de la UTFSM presenta tesis de
Magister, basada en el aumento de índices de desarrollo social, los
emprendimientos que se generaron y la evolución de mejora socio-
económica de la localidad.

• Ingeniería en Construcción Ufro debe ser parte de la generación de
soluciones tangibles a problemas que atañen a la región y a la sociedad en
general. Se debe actuar: desarrollar cosas, generar proyectos y
conocimientos innovadores, vincularse con el medio, con el rubro, con la
ciudadanía y con el resto de la universidad.

• Se debe como carrera fomentar el I+D+i. Otras casas de estudio cuentan
con centros de innovación e investigación que desarrollan este tipo de
proyectos y otros vinculados a satisfacer necesidades locales.
• Faltan competencias genéricas acorde a los tiempos que se agreguen a la
formación de la profesión: comunicación
efectiva, liderazgo, negociación, resolución de conflictos, trabajo en
equipo, etc. Son ellas las que situarán a la cabeza en este medio actual de
generación de profesionales sin mesura.

• La Araucanía presenta condiciones de irradiación solar favorables, ya se ve
la implementación de Sistemas Solares Térmicos en proyectos
habitacionales del sector urbano. Un Termosifón de 300 L tiene un costo
comercial aproximado de $1.800.000. En este trabajo se apuesta por una
solución de carácter social con $29.000. Es cierto que en prestaciones no
existe nivel de comparación, pero puede ser una iniciativa de innovación
local el mejorar y acondicionar el modelo presentado a menores costos.
Sería interesante el desarrollo de proyectos de implementación de Trabajos
de Título de esta índole en localidades vulnerables.

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