Un nuevo colector solar acumulador

Resumen

Presentamos un nuevo dispositivo para el calentamiento solar de agua para uso domestico, que contiene en un solo cuerpo el colector solar y el acumulador de agua caliente. El mismo consiste de un tanque metálico recubierto con material altamente absorbente de la radiación solar. El tanque está térmicamente protegido del medio ambiente mediante una o varias envolturas semitransparentes a la radiación solar. Mostramos las diversas experiencias efectuadas en los últimos años destinadas a evaluar su capacidad para satisfacer determinadas demandas de agua caliente. En todos los casos las experiencias se llevaron a cabo en paralelo, para comparación, con un calefón solar comercial actual. Estas se efectuaron bajo diferentes condiciones climáticas, tamaños del dispositivo y cantidad de agua extraída. Las sucesivas mejoras introducidas, tanto en cantidad como calidad de los materiales empleados, resultaron en una mejora de su eficiencia, así como un mayor conocimiento de la forma en que adquiere y pierde energía térmica. Los resultados son presentados mediante gráficas, figuras y tablas. Estos permiten concluir que el dispositivo posee capacidad para sustituir a los calefones solares comerciales durante no menos de seis meses del año, el resto del año puesto en serie con un calentador operado con energía convencional, permite reducir el consumo de esta.

Introducción

Un Colector Solar Acumulador (CSA) es un componente habitualmente utilizado para instalaciones de provisión de agua caliente residencial, realiza la acumulación de la energía a través de la misma agua que se consume y en el mismo lugar de captación de la energía solar por la superficie absorbedora del colector. Los CSA se conectan directamente en serie a la línea de provisión de agua y actúan como precalentadores del sistema de provisión de agua caliente, respondiendo directamente a la demanda de los consumidores, sin necesidad de bombas de impulsión ni controladores (ASHRAE, 1995). Además, dada su gran masa térmica, estas unidades son muy resistentes al congelamiento (Goetzbeger y Rommel, 1987) y no debe preverse ningún dispositivo adicional para su protección nocturna. Esta simplicidad de funcionamiento y montaje, así como su resistencia al congelamiento, han hecho que este tipo de colectores estén siendo día a día más utilizados, desplazando en muchos casos al tradicional sistema de colector plano, ya que este último, requiere una alta inversión inicial debido a su mayor complejidad tecnológica. (Barral y Wood, 1997)

Existen varios modelos de CSA, consistentes en general en tanques, o en tubos conectados en serie dentro de una caja aislada cubierta por una o varias superficies transparentes, pudiendo o no disponerse alguna superficie reflectante, dependiendo del diseño. La superficie exterior de los tanques o tubos, pintada de negro o con una superficie selectiva, absorbe la energía solar y el agua que se encuentra dentro de ellos, sacando provecho de su alta capacidad térmica, almacena la energía absorbida. Por el último tanque o tubo sale el agua que demanda el usuario, que es la que está más caliente por haber permanecido más tiempo dentro de la unidad, agua que es reemplazada automáticamente en el otro extremo (la entrada al colector) por agua fría proveniente de la red de suministro (Barral, 1997).

Desde 1997, se está ensayando un nuevo tipo de colector solar acumulador en el Laboratorio de Energía Solar de la ciudad de San Luis (Fasulo et al., 1997), el cual tiene la particularidad de consistir en un solo tanque, que no está contenido en una caja aislada, oficiando de aislante térmico el mismo sistema de cubierta que deja pasar los rayos solares. Aunque existen muchos modelos de CSA basados en un solo tanque (Reif, 1983) no se han encontrado antecedentes bibliográficos de modelos similares al descripto en este trabajo. El sistema total consiste en un tanque cilíndrico de acero inoxidable, colocado sobre el techo en forma vertical (ver Fig. 1), en el cual el agua caliente que se demanda sale por la parte superior y es reemplazada por agua fría que entra al tanque por el fondo en su eje central, proveniente de un tanque de almacenamiento. El sistema de cubierta está compuesto por una, dos o tres superficies de policarbonato alveolar, material que ha probado reunir muy buenas características para aplicaciones solares, y en particular presentando como ventajas ante el vidrio su alta resistencia al impacto y su bajo peso específico (Lenel y Mudd, 1984).

Estos modelos de CSA han sido ensayados durante algunos años, utilizando distintas variantes en lo que respecta a volumen del tanque, cantidad de cubiertas de policarbonato y distintas configuraciones (Fasulo et al., 1998). El estudio ha sido básicamente experimental, a partir del análisis de la energía absorbida por el colector y la capacidad de provision de agua caliente. A tal fin se montó un sistema de varias termocuplas en distintos lugares del sistema y se realizaron mediciones sistemáticas en función a extracciones de agua programadas durante distintas horas del día. Los colectores solares de placa plana, dada la pequeña cantidad de agua que contienen, presentan la posibilidad de considerar su funcionamiento como el de estado estacionario.

Entonces es posible determinar su comportamiento térmico a partir de ensayos de corta duración (Duffie y Beckman, 1991), esto no es posible con los CSA por su gran masa térmica y es necesario prever ensayos de larga duración para precisar el comportamiento de los mismos en las condiciones climáticas a que estén sometidos (Faiman, 1984). Bajo esta hipótesis de trabajo, las experiencias sobre estas unidades se extendieron durante varios meses.

Dado que uno de los principales problemas de los colectores solares acumuladores es su elevada pérdida energética, debido a la exposición del elemento de almacenamiento al medio ambiente (Tripanagonstopoulos y Yianoulis, 1992) se ha realizado un estudio de dichas pérdidas (Fasulo et al., 2000) para poder identificar los puntos críticos del sistema y hacia donde deberían apuntarse las mejoras para la conservación de la energía.

En este trabajo se detallan las experiencias llevadas a cabo entre los años 1997 a 2000, se describe la metodología utilizada y se presentan resultados en tablas y gráficos, remarcando los aspectos vinculados a la temperatura del agua caliente obtenida, eficiencias, y pérdidas térmicas nocturnas, para los distintos sistemas ensayados.

Se observa que el funcionamiento es satisfactorio, lográndose buenos resultados, comparables a los de los calefones convencionales, durante unos seis meses centrados en el verano. Para el resto del año, puesto en serie con un calefón convencional, se encuentra que permite bajar el consumo de la energía convencional empleada, al elevar la temperatura del agua fría de entrada.

El colector

El Colector Solar Acumulador propuesto, CSA, consiste de un tanque de acero inoxidable de sección circular, cerrado mediante dos tapas del mismo material. Su superficie exterior está cubierta con pintura negro mate. Posee dos orificios, ubicados en las tapas, por los que se conecta con el sistema de provisión de agua caliente domiciliario. El colector solar acumulador propuesto se instalará en un lugar que reciba la mayor cantidad de radiación solar durante todos los días del año. En la figura 1 podemos ver un esquema del colector solar acumulador. Podemos ver que el dispositivo opera bajo la presión del agua contenida en el tanque de reserva domiciliario. El agua contenida en el CSA circula hacia el usuario cuando este abre una canilla de agua caliente. El tanque en su interior a unos pocos centímetros de la entrada de agua y enfrentando a esta lleva una placa paralela a la tapa inferior, cuya finalidad es evitar que el ingreso de agua fría destruya la estratificación térmica del agua contenida. El tanque se asienta sobre una base de material aislante. Esta misma base sirve de soporte para la cubierta semitrasparente a la radiación solar (policarbonato alveolar) que rodea completamente al tanque por su lateral y tapa superior, protegiéndolo térmicamente del medio ambiente

Figura 1: Corte transversal del Colector Solar Acumulador instalado en la red de provisión de agua domiciliaria.