El control de la evolución térmica del CSA-T768 se efectúa mediante la lectura de las termocuplas instaladas en su interior.
Independientemente de estas experiencias, y durante los periodos en que no se efectúan extracciones de agua, determinamos, con la finalidad de estudiar las pérdidas térmicas nocturnas, las distribuciones de temperaturas en el interior del tanque, sobre éste y sobre los policarbonatos, después de la puesta del sol y antes de la salida de éste al día siguiente. Los días elegidos para estas experiencias son aquellos que se presentan dentro de una serie de días soleados, de manera que el agua contenida en el colector se encuentra próxima al estado de régimen permanente sin extracción.
En la figura 4 representamos los valores de las temperaturas obtenidas a lo largo del eje de simetría del tanque con ✶ y ✕ respectivamente para los dos extremos del periodo de enfriamiento nocturno. Estos son: cinco puntos interiores del tanque (puestos en las proximidades de x=0), uno sobre la tapa del tanque metálico (en x=2), tres sobre las caras inferiores de las tapas de policarbonato (x=3 para la primera cubierta, x=4 para la segunda y x= 5 para la tercera) y uno para la temperatura ambiente (x=6). También para la cara interna de la cubierta de policarbonato cilíndrica, al nivel 2m, correspondiendo el mismo valor de x dado para indicar la posición de la cubierta y con los símbolos 0 para el inicio y para el final del periodo de enfriamiento.
Fig. 4: Distribución de temperaturas en el interior, sobre la cubierta exterior del tanque y sobre las cubiertas interiores de los policarbonatos del CSA-T768.
Como se puede apreciar en la figura 5, el agua contenida en el tanque permanece estratificada todo el tiempo. Esta característica se presenta para todas las determinaciones efectuadas, aún para aquellas en las que se efectúa extracción de agua.
Si dividimos el tanque en cuatro sectores iguales y paralelos a la base, tenemos ubicadas termocuplas en los extremos de cada uno de éstos, de manera que por diferencias de temperaturas entre los extremos del periodo de tiempo que dura el enfriamiento podemos calcular las pérdidas térmicas nocturnas por sectores. Esto es lo que hacemos y graficamos en la figura 5, para las 50 determinaciones efectuadas entre enero de 1999 y enero del 2000. La curva de interpolación nos muestra que las pérdidas térmicas son menores en el centro del tanque y mayores en el extremo superior. Esto último es lo esperado, por cuanto las diferencias de temperatura entre los sectores del tanque y el medio ambiente, es mayor en el nodo superior. Esto también sucede porque los nodos extremos poseen mayor superficie expuesta al medio ambiente que los dos sectores intermedios. Por otra parte se debe tener en cuenta que este análisis no tiene en cuenta el flujo convectivo del agua en el tanque, que de existir, podría hacer crecer la relación de perdidas térmicas entre el nodo superior con respecto a los inferiores.
Fig. 5: Pérdidas térmicas del CSA-T768 por sectores del tanque, para 50 determinaciones efectuadas a lo largo de un año. Ordenada=0.5 corresponde al sector que contiene la base del tanque y para 3.5 el sector superior que contiene la tapa del tanque
Análisis y discusión de los resultados
Un hipotético usuario que necesita unos 200 litros de agua caliente por día y resuelve instalar un colector solar acumulador, tendrá que decidir que sistema le resulta conveniente entre el CSAT384 y el CSA-T768.
Los resultados obtenidos nos dicen que ambos sistemas demostraron poseer capacidad para producir durante seis meses del año agua caliente en las cantidades requeridas por encima de los 40°C y que durante el resto del año producen ahorro en la energía convencional, con la que necesariamente se los deberá complementar, si se pretende contar con el servicio de agua caliente todos los días del año. ¿Esta información le permite al usuario tomar una decisión? Claramente no es suficiente. Tomando en cuenta los materiales necesarios para construir cada dispositivo encontraremos que el CSA-T768 tiene un costo superior al doble del CSA-T384 de manera que en una primera evaluación parece resultar conveniente instalar dos CSAT384 operando en paralelo.
Sin embargo si se toma en cuenta el ahorro que produciría en el periodo invernal encontrará, que el CSA-T784 eleva el agua fría en 12,5°C (Tsal = 27°C), mientras que el CSA-T384 la eleva en solo en 8°C (Tsal = 22°C), para similares condiciones ambientales del mes de junio. El balance, para junio, muestra que el CSAT384 provee mas del 60% de lo que da el CSA-T784,.
El criterio seguido para evaluar el comportamiento de los CSA da prioridad al punto de vista de determinar la capacidad de los dispositivos para producir una cantidad fija de agua caliente: 150, 210 o 300 litros por día. Las experiencias se diseñaron para obtener esta información. En consecuencia los resultados están asociados con las particulares variables ambientales imperantes en la región durante la experiencia. Esto no permite generar una función que relacione la eficiencia con las variables diferencia de temperatura colector - ambiente y radiación solar, que nos hubiera permitido comparar estos dispositivos en forma independiente. Es entonces una consecuencia de esta discusión deducir que en el futuro deberemos emplear un método que conduzca a resultados que permitan la comparación analítica de los CSA, tal como sucede con los colectores planos.
Conclusiones
Disponemos de un nuevo dispositivo, colector solar acumulador, para calentar agua con energía solar, para uso domestico, sin colectores planos. Los CSA experimentados demostraron poseer capacidad para producir agua caliente por encima de 40°C durante unos seis meses del año, para las condiciones climáticas de San Luis. Durante el resto del año, conectados en serie con calentadores operados con energías convencionales producen un ahorro de esta al elevar la temperatura del agua fría de la red.
Por sus características constructivas son mas baratos que los calefones solares actualmente en uso. Tampoco tendrán los problemas de congelamiento nocturno, propio de los dispositivos que emplean colectores solares planos. El principal defecto que poseen yace en sus altas pérdidas térmicas nocturnas.
El procedimiento seguido para efectuar las experiencias permite conocer las capacidades de los dispositivos experimentados para producir agua caliente ajustado a las condiciones ambientales medias de la región, así como la capacidad para producir ahorro de energía convencional, cuando se los usa como pre-calentadores. Para efectuar comparaciones se requiere, emplear en el futuro, procedimientos que permitan obtener relaciones analíticas, entre la eficiencia, las variables del dispositivo y las ambientales.
Referencias
ASHRAE Handbook (1995) HVAC Applications ,SI Edition, pp. 30.15. American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA.
Barral, J. R. (1997) Performance Analysis of Tubular Integral Collector Storage Units, MSc. Thesis, Arizona State University, Tempe.
Barral J. y Wood B. (1997) Modelo computacional analítico para el estudio de colectores acumuladores integrados tubulares, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, 1, 1, 93 – 96.
Duffie J. A. y Beckman W. A. (1991) Solar Energy of Thermal Processes, 2a Edition, John Wiley, New York.
Faiman D. (1984) Towards a standard method for determining the efficiency of integral collector–storage solar water heaters. Solar Energy 33, 4, 459–463.
Fasulo, A., D.Perello y J.Follari (1997) Un Colector Solar Acumulador, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, 1, 1, 101 – 104.
Fasulo A., Perello D. and Follari J. (1998) Comparison against collector accumulator with semi-transparent insulation and conventional. En Proceedings of EuroSun 98, Vol. 2, part III, pp. 3.4-1-3.4-4.
Fasulo Amílcar (2000) World renewable Energy Congress VI Vol. 4 pp 2694-2697
Fasulo A., Follari J. and Barral J. (2001) Comparison Between A Simple Solar Collector Accumulator and A Conventional Accumulator. Solar Energy - en prensa.
Goetzbeger A. y Rommel M. (1987) Prospects for integrated storage collector systems in Central Europe. Solar Energy 39, 2, 211–219.
Lenel U. R. y Mudd P. R. (1984) A review of materials for solar heating systems for domestic hot water. Solar Energy 32, 1, 109–120.
Reif D. K. (1983). Passive Solar Water Heaters — How to Design and Build a Batch System, Brick House, Andover
Tripanagonstopoulos Y and Yianoulis P. (1992) Integrated Collector - Storage Systems With Suppressed Thermal losses. Solar Energy 48, 31-43.