Experiencias con el colector solar acumulador

Las experiencias fueron llevadas a cabo en verano e invierno, procurando cubrir así todas las variaciones climáticas que se presentan en el medio ambiente durante el año. Dentro de este periodo se efectúan no menos de tres series. Cada serie consta de unos 15 días consecutivos de experiencias, los que extendemos a más en caso de ser necesario, para contener en ella días completamente despejados, seminublados y completamente nublados. Cada día se efectúan tres extracción de agua caliente: Una por la mañana antes que salga del sol, otra a medio día y la última por la tarde, luego de la puesta del sol. Inmediatamente antes y después de cada extracción de agua medimos las temperaturas en el interior del tanque de acumulación, mediante termocuplas instaladas a lo largo del eje de simetría del tanque. Con estos datos calcularemos la eficiencia interna diurna y las pérdidas térmicas nocturnas.

En paralelo se instalan y operan con el mismo régimen de extracción de agua, para comparación, Calentadores Solares de agua para uso Domestico comerciales, CS.

El Laboratorio de Energía Solar de la U.N.S.L. provee los datos de radiación solar global horizontal, global vertical y global en un plano inclinado 45° al norte, integrados hora a hora, que son necesarios para calcular las eficiencias del CSA y del CS.

Estos son generados a partir de lecturas automáticas continuas de la radiación solar global horizontal y normal directa.

El primer Colector Solar Acumulador

El primer CSA experimentado consistió en un tanque de 384 litros de capacidad, construido con acero inoxidable, cubierto con pintura negro mate y protegido térmicamente del medio ambiente con una cubierta de policarbonato alveolar de 4 mm de espesor, CSA-T384. La cubierta de policarbonato se mantiene a una distancia de unos 8 cm de la superficie del tanque. Está sujeta en su contorno inferior por una base de madera aglomerada (que sostiene el tanque) y por la parte superior por la tapa, construida con el mismo material, que se mantiene centrada y fija por el tubo de salida del agua caliente del tanque. Ambas superficies de policarbonato se mantienen unidas y selladas mediante ataduras y pegamentos.

Las experiencias se desarrollaron entre febrero y junio de 1997 y consta de tres series. En la primera comparamos el CSA-T384 con un CS comercial de bajo costo, constituido por un Colector Plano de 2 m2 de superficie, con placa absorbedora de acero inoxidable, cubierta con pintura negro mate y con su parte frontal protegida del medio ambiente con una placa de policarbonato alveolar de 4 mm de espesor. Se usó un tanque de acumulación de 100 litros de capacidad de fibrocemento, con flotante para el control del nivel, 10 cm de aislaciones de poliestireno expandido granular y cubierta externa de chapa galvanizada, que denominaremos: CS-T100.

A partir de la segunda serie se agregó un CS comercial de mayor calidad, esta mayor calidad se refiere al tanque de acumulación, usándose un tanque de acero inoxidable de 270 litros de capacidad, que opera bajo la presión del tanque con agua de reserva domiciliaria, con aislaciones y cubierta externa similar al anterior, que denominaremos CS-T270.

En la figura 2 podemos apreciar las características de los resultados que se obtienen. Vemos que para la primera serie (Días Julianos 55 a 74) con una radiación solar global horizontal, H, entre 25 y 30 Mj/m2 y con una temperatura del agua fría entre 20 y 25° C, ambos dispositivos, el CSAT384 y el CS-T100, presentan casi todos los valores (agua caliente extraida) por encima de los 40° C. Para la segunda serie (Días Julianos entre 103 y 121), con H debajo de 20 Mj/m2 y una temperatura del agua fría próxima a 20°C, el CSA-T384 presenta casi todos sus valores por debajo de 40° C, mientras los otros dos CS se mantienen por encima de los 40 °C, con unos pocos puntos por debajo.

Figura 2: Datos directos medidos en la primera experiencia para determinar las propiedades comparativas del CSA-T384 con dos CS: Radiación solar global horizontal, H. Temperatura del agua fría, Temperatura del agua caliente extraída de cada dispositivo y temperatura de referencia, de 40 °C.

Para la tercera serie (Días Julianos 154 a 171), con H, por debajo de 13 Mj/m2 y una temperatura del agua fría por debajo de 15° C, los tres dispositivos producen agua caliente por debajo de 40°C y solo el CS-T270 dá unos datos por encima de 40° C.

En la Tabla 1 mostramos, en valores medios para cada serie los siguientes valores: temperatura media del aire, <Taire>; radiación solar total media diaria que llega a cada uno de los dispositivos, <ΣSiIi >. temperatura media del agua caliente extraída, <Tsal>. eficiencia media, extraída, <ηsal,ii>; cantidad de calor ganado por el agua en los tanques durante las horas con sol, <Qint,i>; la eficiencia de estos durante las

horas con sol, <ηint, i>; las pérdidas térmicas nocturnas, <Li> y las eficiencias netas internas (sin las extracciones) para las 24 horas, <ηint-neta, i>.

La figura 2 y la tabla 1 nos muestran que:

1) Ninguno de los tres dispositivos solares son autosuficientes para proveer agua caliente para uso doméstico por encima de 40°C durante todo el año.

2) El CSA es autosuficiente para producir agua caliente para uso domestico por encima de 40°C hasta el día Juliano 75 del año en que se efectuó la experiencia. Si tomamos en cuenta las características de la radiación solar para San Luis (Solares y Fasulo 1999) podemos extender esta conclusion para cinco o seis meses del año, es decir entre septiembre y marzo.

3) Todos los dispositivos experimentados, conectados en serie con un calentador convencional, aseguran la provisión de agua caliente para uso domestico durante todo el año con ahorro en el consumo de la energía convencional empleada por éste.

Tabla 1. Valores medios de cada una de las variables determinadas experimentalmente o calculadas para cada una de las tres series de experimentos efectuados con los tres dispositivos solares.

El segundo Colector Solar Acumulador

A partir de los buenos resultados obtenidos en la primera experiencia, se proyectó, construyó y comparó un CSA de mayor capacidad, 768 litros, recubierto ahora por tres capas de policarbonato alveolar, que denominaremos: CSA-T768. Se buscó de esta forma reducir el mayor defecto encontrado en el primer CSA-T384, esto es sus altas pérdidas térmicas nocturnas.

En primera instancia se estimo que podríamos extraerle el doble de agua caliente con relación al primer dispositivo, esto es 300 litros por día. Luego de iniciada la primera serie, se vio que esta cantidad era excesiva y el dispositivo había perdido buena parte de sus ventajas que mostró con relación a los CS´s, relacionada con la mayor masa de agua contenida en el tanque y que produce menores fluctuaciones en los valores de la temperatura del agua caliente extraída, con relación a los CS, cuando se suceden series de días soleados interrumpidos por días intermedios nublados o seminublados. Un análisis de la radiación solar que le llega al CSA-T768, en promedio a lo largo del año es del 66%, con respecto a los 4 m2 de colectores solares planos, inclinados 45° al norte, que posee el CS-T270 con que se lo comparó. (Fasulo y otros, 2001) El CS-T270 comercial empleado para comparación, diseñado para la producción de 300 litros de agua caliente por día, está constituido por dos colectores planos de 2 m2 cada uno y tanque de acumulación de acero inoxidable de 270 litros de capacidad protegido térmicamente por 12 cm de materiales opacos y una cubierta de chapa. En la figura 3 podemos ver una fotografía del dispositivo instalado con el CS-T270 con el que se lo comparó.

El CSA-T768 posee 5 termocuplas instaladas en el interior del tanque, 4 sobre la superficie exterior del tanque y 9 sobre las caras interiores de las superficies de policarbonato, tanto sobre el sector cilíndrico como las porciones planas de las tapas. Estas nos permiten seguir la evolución de las temperaturas en el interior del dispositivo y determinar así las eficiencias internas diurnas, y las perdidas térmicas nocturnas.

Experiencias y resultados

Se procede como en el caso anterior, a realizar tres extracciones diarias de agua. Las dos primeras series se dividieron en dos partes: En la primera (a) se extraen 300 litros de cada dispositivo. En la segunda (b) se extraen 210 litros del CSA-T768 y 300 del CS-T270. En la tercera y cuarta serie se siguió el criterio (b) solamente (es decir extraemos 210 litros diarios del CSA-T768). De los valores medios de las principales variables, podemos ver :

1) Las condiciones medias ambientales resultaron levemente mejores, en ambas series I y II, para las partes (b) con respecto a las partes (a).

2) Con la reducción de la cantidad de agua se alcanza el objetivo buscado, esto es mayor temperatura del agua extraída, Tsal del CSA-T768, estas resultan un 10% mas altas, con condiciones ambientales un 3% en temperatura y un 2% en radiación mas altas para la parte (b) en la serie I.

3) En valores medios las temperaturas de agua caliente obtenida con el CS-T270 está por encima de los 40 °C durante las tres primeras series.

4) El CSA-T768 produce agua caliente por encima de 40 °C (valores medios) hasta el día Juliano 43. Sin embargo haciendo una interpolación lineal podemos deducir que esta deseada condición se mantiene hasta el día 75 para la modalidad (b). Con ello tenemos una conclusión similar que la obtenida con el CSA-T384, esto es: El CSA-T768 permite obtener unos 210 litros de agua caliente por día, en valoresmedios por encima de 40 °C durante unos seis meses del año. Para el resto del año puesto en serie con un calentador accionado con energía convencional, permite ahorrar parte de esta energía al elevar el agua fría en unos 15 °C, en promedio.

5) El mayor problema sigue siendo las altas pérdidas térmica nocturnas. Estas resultan entre 7 a 18 veces mas altas que las del CST270.

6) Eficiencia, medida a partir del agua caliente extraída: el CS-T270 presenta valores de la eficiencia suavemente

crecientes hacia el periodo invernal, en concordancia con un mejor aprovechamiento de la radiación solar por los colectores planos inclinados 45 ° hacia el norte. El CSAT768 presenta valores estables en torno del 30 % para todo el periodo.

7) La eficiencia interna, determinada a partir de las temperaturas medidas en el interior de los tanque de acumulación: el CS-T270 muestra valores suavemente decrecientes hacia el periodo invernal. En cambio para el CSA-T768 esta tendencia es creciente, por lo menos hasta la tercera experiencia.