Diseño y fabricación de un destilador solar híbrido fototérmico-fotovoltaico para zonas rurales

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Artículo Foro de Estudios sobre Guerrero
Ciencias Exactas e Ingenierías Mayo 2020- Abril 2021 Vol.6 No.7 300-304
©COCYTIEG www.fesgro.mx
Diseño y fabricación de un destilador solar híbrido fototérmico-fotovoltaico para
zonas rurales.
ALANÍS-Navarro J.A. †*, ALANÍS-Cantú R., CASTILLO-Tapia C.U., REYNOSO-Verón Ma.L.
Recibido: septiembre, 22, 2019; Aceptado Febrero 9, 2020
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Resumen
Se presenta el diseño, simulación, fabricación y
caracterización inicial de un destilador solar híbrido
solar fototérmico-fotovoltaico, tipo pirámide. El
destilador solar tipo pirámide ha mostrado resultados
satisfactorios, en cuanto a producción y eficiencia
(Nayi & Modi, 2018). El prototipo que se presenta en
este trabajo, consiste en una base de acero inoxidable
de 50 cm x 50 cm y 2 cm de altura. Con estas
dimensiones, la capacidad de la charola es de cinco
litros. La base la charola está rodeada por 15 cm de
poliuretano que funciona como aislante térmico, esto
disminuye las pérdidas del calor absorbido por la
base. Una cubierta de cristal de 3 mm de grosor en
forma piramidal sirve como medio para conseguir la
condensación del vapor de agua. El agua se conduce
por ductos de cloruro de polivinilo, PVC. Para
mejorar la condensación, se implementa un sistema
de convección forzada, para ello se instalaron dos
ventiladores de corriente directa de 3 W de potencia
eléctrica. La rapidez promedio del aire es de 3.4 m·s-
1
, lo que corresponde a un coeficiente convectivo de
25.49 W·m-2
·K-1
(Engineering Toolbox, 2003). Se
utiliza un módulo solar de 10 W de potencia para
suministrar de energía eléctrica a los ventiladores.
Mediante una cámara termográfica se logró
identificar y aislar fugas de calor y vapor de agua
generado durante el proceso fototérmico. Durante las
pruebas iniciales, se obtuvo una producción
promedio de agua destilada de 30.3 mL·h-1
·m-2
y
41.7 mL·h-1
·m-2
, mediante convección natural y
forzada, respectivamente.
Palabras clave: destilador solar, energía solar
fototérmica, energía solar fotovoltaica.
Abstract
The design, simulation, manufacturing and initial
characterization of a photothermal-photovoltaic solar
hybrid solar distillator, pyramid type, is presented.
The pyramid-type solar distiller has shown
satisfactory results, in terms of production and
efficiency (Nayi & Modi, 2018). The prototype
presented in this work consists of a stainless steel
base 50 cm x 50 cm and 2 cm high. With these
dimensions, the capacity of the tray is five liters. The
base of the tray is surrounded by 15 cm of
polyurethane that works as a thermal insulator, this
reduces the losses of heat absorbed by the base. A 3
mm thick glass cover in pyramidal shape serves as a
means to achieve condensation of water vapor. Water
is conducted through polyvinyl chloride, PVC
pipelines. To improve condensation, a forced
convection system is implemented, for this two direct
current fans of 3 W of electrical power were installed.
The average air speed is 3.4 m·s-1
, which corresponds
to a convective coefficient of 25.49 W·m-2
·K-1
(Engineering Toolbox, 2003). A solar module of 10
W of power is used to supply electric power to the
fans. Through a thermal imager, it was possible to
identify and isolate heat leaks and water vapor
generated during the photothermal process. During
the initial tests, an average distilled water production
of 30.3 mL·h-1
·m-2
and 41.7 mL·h-1
·m-2
was
obtained, using natural and forced convection,
respectively.
Keywords: solar still, photothermal energy,
photovoltaic energy.
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Citación: ALANÍS-Navarro J.A. †*, ALANÍS-Cantú R., CASTILLO-Tapia C.U., REYNOSO-Verón Ma.L. Diseño y
fabricación de un destilador solar híbrido fototérmico-fotovoltaico para zonas rurales.Foro de Estudios sobre Guerrero.
2019, Mayo 2020- Abril 2021 Vol.6 No.7 300- 304.
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*Correspondencia al Autor: (aalanis@upeg.edu.mx)
† Investigador contribuyendo como primer autor.

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ISSN 2007-882X
COCYTIEG® Todos los derechos reservado
ALANÍS-Navarro J.A. †*, ALANÍS-Cantú R., CASTILLO-Tapia C.U., REYNOSO-
Verón Ma.L. Diseño y fabricación de un destilador solar híbrido fototérmico-
fotovoltaico para zonas rurales.Foro de Estudios sobre Guerrero. 2019, Mayo 2020-
Abril 2021 Vol.6 No.7 300- 304.
Introducción
En México, la cobertura de agua potable es
97.5%, y en algunas entidades se carece de la
calidad necesaria para el consumo humano,
inclusive, en otros lugares no alcanza siquiera la
calidad para utilizarla para el riego de hortalizas,
para bañarse o lavar ropa (CONAGUA, 2018).
Aunque existen tecnologías y procedimientos
para eliminar residuos sólidos del agua, éstos son
costosos y la mayoría requiere de una gran
cantidad de energía, lo que sería prácticamente
imposible de implementar en zonas rurales o
marginadas. Utilizando energía solar
fototérmica o calentamiento mediante la
radiación solar, además de módulos solares, es
posible eliminar en gran medida, residuos
sólidos presentes en muestras de agua, tales
como tierra, metales, minerales, etc., esto
permitiría obtener agua de una calidad adecuada
para algunos usos cotidianos, como lavar ropa,
riego de plantas y hortalizas, aseo personal, y
con un tratamiento adicional, es posible obtener
agua potable (Ortiz et al., 2014).
Objetivos
Objetivo general
Diseñar, simular, fabricar y evaluar un
destilador solar tipo pirámide híbrido solar
fototérmico-fotovoltaico.
Objetivos específicos
 Diseñar el desalinizador solar tipo
pirámide
 Simular el prototipo de destilador solar
 Fabricar el destilador solar
 Realizar una caracterización inicial
Metodología
Basados en lo reportado en la literatura (Rufuss,
Iniyan, Suganthi, & Davies, 2016), se selecciona
el prototipo que ha mostrado mejores resultados.
Se fabrica un prototipo de destilador solar tipo
pirámide a escala para evaluar su
funcionamiento, para poder proponer mejoras en
cuanto a su capacidad para obtener agua libre de
impurezas sólidas, principalmente, tierra, sal,
metales etc.
Diseño y simulación
El diseño se basa en una estructura piramidal de
30 cm de altura; los lados de la base de la
pirámide son de 52 cm. Esto permite que la
cubierta piramidal sea soportada por los canales
de PVC, y éstos, a su vez, permitan colectar el
agua condensada sobre el interior de la cubierta.
En esta primera etapa se realiza la simulación del
prototipo utilizando un programa de propósito
general denominado Energy2D (Xie, 2012). En
la Figura 1 se muestra el resultado de una
simulación de transferencia de calor de un corte
transversal del prototipo. La temperatura de la
charola se establece a 60 °C. Asimismo, en la
simulación se consideran las propiedades físicas,
ópticas y térmicas de cada material, como la
conductividad térmica, densidad de masa, calor
específico, etc. La lista completa de las
propiedades utilizadas puede consultarse en la
referencia (Alanís et al., 2019). En la Figura 2,
se presentan las líneas de flujo durante el proceso
de enfriamiento del destilador solar. La etapa de
simulación mediante computadora permite la
selección del espesor del aislante térmico. Para
ello se realizaron diferentes simulaciones,
considerando tres espesores de poliuretano como
aislante térmico: 10 cm, 15 cm y 20 cm.
Figura 1 Simulación en Energy2D que muestra la
distribución de la temperatura sobre el destilador solar.

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Figura 2 Líneas de flujo de calor obtenidas por
simulación durante el proceso de enfriamiento del
destilador solar.
Fabricación
Para la construcción del destilador solar tipo
pirámide, se utiliza lámina galvanizada para
fabricar la estructura principal, cuatro cristales
triangulares de tres milímetros de espesor para
elaborar la cubierta piramidal, una base de acero
inoxidable para contener el agua a destilar.
Caracterización
Durante esta etapa se pretende obtener la
producción de agua destilada de experimentos
realizados, considerando convección natural de
aire, para el enfriamiento de la cubierta de
cristal, y mediante convección forzada, a través
de ventiladores de corriente directa, alimentados
mediante un módulo solar. La rapidez promedio
de los ventiladores es de 3.4 m·s-1
.
Resultados
En la etapa de diseño y simulación, se determinó
que una capa de aislante de 15 cm de espesor
permite mantener la temperatura en la charola.
El espesor de 10 cm no es suficiente para impedir
la transferencia de calor hacia el exterior, y el
espesor de 20 cm, representa un exceso de
aislante. Respecto a la fabricación, en la Figura
3 se presenta una fotografía de la vista isométrica
del prototipo. Se puede observar la estructura
negra que recubre el aislante térmico, asimismo,
se aprecia la cubierta de vidrio en forma
piramidal, además del sistema de convección
forzada, que consta de dos ventiladores y un
módulo solar.
Figura 3 Destilador solar y sistema de convección
forzada.
Caracterización inicial del prototipo
La evaluación consiste en determinar la cantidad
de agua destilada y la tasa de producción a
diferentes niveles de radiación solar. La
medición de temperatura en distintas zonas del
prototipo para poder determinar las pérdidas de
calor, ver Figura 4. La metodología empleada
para realizar la evaluación del prototipo es la
presentada en la referencia (Castillo et al., 2015).
Se realizan mediciones de la variación de
la temperatura sobre diferentes zonas del
destilador, la obtención de agua expresada como
mililitros por unidad de área y unidad de tiempo
(mLh-1
cm-2
). Para la evaluación del prototipo
se emplean termopares tipo K, cámaras
termográficas. En la Tabla 1 se presentan los
resultados preliminares de los experimentos
realizados, se muestra la comparación entre la
producción de agua destilada mediante
convección natural, es decir, sin el uso de
ventiladores, y la producción de agua destilada
utilizando convección forzada, a través de los
ventiladores acondicionados para este fin.

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Figura 4 Imagen termográfica que muestra la
distribución de la temperatura, sobre el prototipo.
Finalmente, como residuo del proceso de
destilación, se obtuvieron cristales de sal, ver
Figura 6.
Experimento
Producción
CN* (mLh-1
m-
2
)
Producción
CF* (mLh-
1
m-2
)
E1 27 37
E2 26 49
E3 19 39
Promedio 30.3 41.7
Tabla 1 Producción de agua destilada por convección
natural y convección forzada. * CN: Conveccion natural;
CF: Convección forzada.
Figura 5 Cristales de sal formados después del proceso
de destilación de muestras de agua salada.
Contribución
El principal aporte de este trabajo, radica en el
hecho de ser un dispositivo que no requiere
energía eléctrica, esto permitiría ser utilizado en
zonas marginadas o rurales, para la eliminación
de residuos sólidos presentes en muestras de
agua de pozo, agua fluvial, agua pluvial o agua
salada. El dispositivo es económico y su
construcción es relativamente sencilla.
Conclusiones
Se muestra el diseño, simulación, fabricación y
caracterización inicial de un destilador solar
híbrido fototérmico-fotovoltaico. El diseño
consiste en un destilador tipo pirámide de 50 cm
x 50 cm, con una capacidad de cinco litros.
Como aislamiento térmico se utiliza 15 cm de
poliuretano que rodea toda la base de acero
inoxidable. La implementación de un sistema de
convección forzada a base de ventiladores de
corriente directa, permite disminuir el tiempo de
condensación.Para energizar los ventiladores se
utiliza un módulo solar de 10 W de potencia
nominal. Se presentan resultados preliminares de
la producción de agua destilada, considerando
convección natural y convección forzada. El
promedio de los experimentos realizados de la
producción de agua destilada utilizando
convección natural, es decir, sin activar los antes
de la instalación de los ventiladores, es de 30.3
mLh-1
m-2
, mientras que el promedio de la
producción de agua destilada utilizando
convección forzada, es de 41.7 mLh-1
m-2
, un
aumento de 37.8% en la producción de agua
destilada
Agradecimientos
Los autores desean agradecer el apoyo
académico al director de las carreras de
Ingeniería en Energía e Ingeniería en Tecnología
Ambiental de la Universidad Politécnica del
Estado de Guerrero, M.C. Gabriel Pedroza
Silvar.

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Referencias
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