VEINTE AÑOS CON LOS CALEFONES SOLARES ARGENTINOS

J. Follari y A. Fasulo
Laboratorio de Energía Solar - Universidad Nacional de San Luis
Chacabuco y Pedernera - 5700 - San Luis - Fax 54-652-30224
E-Mail: solar@unsl.edu.ar 

RESUMEN: Efectuamos una descripción de la evolución que han tenido los calefones solares producidos en San Luis. Partimos de las primeras experiencias sobre materiales para la construcción de los colectores, hace unos veinte años, hasta llegar a la situación actual. En este recorrido mostramos los resultados de las distintas experiencias efectuadas, su transferencia al sector productivo, así como aquellas que si bien resultaron exitosas no se pudieron transferir por razones económicas. La alta calidad de los productos obtenidos es corroborada mediante la comparación con otros productos nacionales e importados a través de gráficos de eficiencia, pérdidas térmicas globales y la presencia actual en funcionamiento de equipos con casi veinte años de uso.

1. INTRODUCCIÓN

En 1975 hicimos en el Laboratorio de Energía Solar de la Universidad Nacional de San Luis nuestra primera experiencia con colectores planos. Desde entonces, la evolución de la tecnología (y su uso en la fabricación e instalación de calefones solares), ha sido enorme. Aquella experiencia (Fasulo y otros 1976) sirvió para demostrar que la combinación de chapa-parrilla de caños y unión móvil o soldadura, era un tema que no se resolvía sólo físicamente, sino que interesaban además la disponibilidad y costos de materiales, la factibilidad y costo de fabricación, etc. y que la evaluación final pasaba por obtener el menor costo de calor solar y durabilidad en lugar de una copia de colectores de otras latitudes cuyos resultados en Argentina no eran apropiados. Así se demostró que un colector hecho con chapa parrilla de caños de cobre podía ser reemplazado por uno de chapa de hierro-parrilla de bronce con una superficie 21 % mayor para obtener la misma cantidad de energía útil en agua caliente y en consecuencia un ahorro en pesos del 40 %. Esta experiencia, por otra parte, nos permitió visualizar que el desarrollo tecnológico requiere del punto de vista del técnico, del fabricante y de la demanda del mercado, todos aunados. De lo contrario podemos tener un producto de excelencia que no puede fabricarse, o cuyo costo es prohibitivo, o bien un mal producto que es fácil de fabricar y vender. Ambos casos se dieron en Argentina y no tuvieron éxito.

2. INICIACIÓN PRODUCTIVA

En 1977, algunos miembros del grupo original, saliendo del Laboratorio de la Universidad, iniciamos la construcción de calefones solares. Comenzamos fabricando colectores con tubos de aleación de cobre, soldados a una chapa de hierro, y termotanques de fibrocemento con regulación del nivel de agua mediante flotante. La conexión térmica entre éste y el colector era un intercambiador, constituido por una serpentina de cobre simple, que permitía cargar con líquido anticongelante el colector. Este circuito cerrado encarecía el calefón y le restaba eficiencia, pero era lo único disponible para dar garantía al producto, evitando el congelamiento y la rotura del colector. En esa época ya habían varios calefones solares en el mercado, todos con circuito abierto. Ésta fue una causa importante entre otras, de fracasos de algunos emprendimientos con el consecuente efecto negativo sobre el entonces creciente mercado potencial de consumo. Otro aspecto planteado desde el principio fue construir el colector "apaisado". Fue lo contrario a lo que todos hacían. Las experiencias nos demostraron que con sólo el 5% de inclinación lateral del colector, el termosifón funcionaba bien, o sea con igual rendimiento que con mayor inclinación. Esto nos daba una altura del calefón del orden de 1,50 m, lo que hacía innecesario subir el tanque auxiliar en la vivienda en la generalidad de los casos. La otra disposición, con unos 70cm más de altura, requiere, en general, el levantamiento del tanque, lo que agregaba costos del orden del 12 %. Este es un punto importante para San Luis, una región con frecuentes e intensos vientos. Reducir la altura hace al conjunto más estable. Hoy son muchos los fabricantes que ofrecen la misma disposición de los colectores. En la figura 1 se aprecia una instalación típica de esa época que actualmente se encuentra en funcionamiento.

Figura 1: Vista de una instalación típica en la ciudad de San Luis.

3. NUEVO COLECTOR SOLAR

En 1978 la venta de calefones solares no era fácil, su costo era relativamente alto y el producto prácticamente desconocido. Nuestro sistema, además, tenía un aspecto exterior muy parecido al de un producto producido en una provincia vecina construido con chapa de hierro al que la corrosión ponía fuera de uso en corto tiempo. Debimos pensar en algo más duradero, eficiente, económico y accesible al mercado. Había que trabajar entonces en los materiales, el rendimiento y en los costos, así como en los procedimientos constructivos. Comenzamos a trabajar sobre la idea de un receptor tipo sobre, que tuviera el agua en toda la superficie (esto es, dos placas en paralelo, unidas por sus contornos, una de ellas con leves molduras que permitieran ligarla a la otra con soldadura de punto y a la vez canalizar la circulación interna del agua). Este diseño mejoraría notablemente el rendimiento y no exigiría materiales de alta conductividad térmica. Era una idea vieja que no se podía concretar. Los receptores se corroían rápidamente y perdían agua. Si la chapa era gruesa se rompían con el congelamiento. Además tenían que resistir la presión de al menos 2 m de columna de agua (actualmente se los somete a 6m.). Hicimos entonces un colector de chapa fina de acero inoxidable, con soldadura de plasma. Ésta no altera las propiedades inoxidables del material. Con aguas potables normales la corrosión es mínima. El diseño además permite que el colector resulte flexible absorbiendo así las deformaciones producidas por el congelamiento del agua dentro de los límites elásticos del material. En numerosas casas (entre ellas las nuestras), están en funcionamiento desde 1978 sin aparecer corrosión que perfore la chapa. Efectuamos un análisis de los distintos tipos de corrosión y cómo evitarlos. Algunos ensayos posteriores nos permitieron definir la forma constructiva y las soldaduras. La prueba de flexibilidad para absorber la dilatación por congelamiento la realizamos ensayando con un modelo a escala dentro de un freezer y anduvo bien. De allí pasarnos a tamaño de producción. Hoy día existen instalaciones, algunas con más de diez años, que verifican para climas muy rigurosos, que es así. Están ubicadas en lugares como Esquel, Cachi, en la Puna Catamarqueña, en el refugio de Plaza de Mulas (campamento base para subir al Aconcagua), Malargue, etc. La fotografía 2, de esa época, muestra uno de los primeros receptores así construidos.

El hecho de absorber la dilatación permitió trabajar con circuito abierto (para aguas normales). Esto abarató el termotanque y bajó el costo del equipo, uno de los objetivos buscado. Por otro lado permitía fabricar tanques con la misma tecnología en inoxidable, cerrados, operando con la presión del tanque de agua fría auxiliar que ya tiene la vivienda, no solo permiten evitar la eliminación del flotante, sino que además no se reduce la presión del agua que ingresa a la casa. Estos termos se suben con facilidad a los techos por su reducido peso.

Otra ventaja adicional que ofrece el colector es que el alta área de circulación del agua hace que la velocidad de ésta sea muy baja, lo que permite que decante por gravedad la mayoría de las sales en la chapa inferior, permaneciendo limpia la superior, que es la intercambiadora de calor. Además las sales se distribuyen en una superficie mucho mayor que en el colector parrilla de caños. Todo esto contribuye a mantener su rendimiento original por muchos años, varias veces más que en el colector con tubos.

Como consecuencia de todo esto y como era esperable a partir del diseño, el rendimiento aumentó en un 9 %. Las mediciones hechas en CNIE y en nuestro laboratorio en la Universidad Nacional de San Luis así lo demuestran, como veremos más adelante. Este último aspecto implicó una baja de los costos al disminuir la superficie colectora requerida para obtener igual cantidad de agua caliente. Completamos la innovación del colector con una cubierta de Tedlar, un plástico que de acuerdo a las especificaciones del fabricante se comportaba aceptablemente ya que dejaba pasar sólo parte del infrarrojo, era fácil de colocar con poco riesgo de rotura, absorbía bien los impactos del granizo y era más económico que el vidrio. Este dispositivo fue patentado como nuevo colector solar (Follari y otro, 1985) en su versión de plástico o de inoxidable y fabricado para la venta a partir de 1979. En 1982 una importante tormenta de piedras rompió el Tedlar de los colectores instalados en la ciudad de San Luis; de allí en más colocamos una malla para el granizo que demostró ser imprescindible con Tedlar o vidrio. Esto le restó al Tedlar las ventajas económicas que tenía y entonces volvimos al uso de la cubierta de vidrio.

4. DESARROLLO COMERCIAL

Pese a las limitaciones de capital y experiencia comercial este calefón se vendía en San Luis, en la época del gas envasado, con cierta fluidez. El pico de venta se logró con el Plan Austral en 1987, con planes de ahorro en círculos de 20 cuotas, alcanzó los 30 calefones por mes en una población por entonces de 75.000 habitantes. Luego la inflación y el gas natural hicieron la venta muy difícil, lo que nos llevó a la necesidad de otro cambio tecnológico importante en el que estamos trabajando hoy y trataremos luego.

5. SUPERFICIE SELECTIVA

A partir de 1983 trabajamos en el desarrollo y puesta a punto de una superficie selectiva sobre acero inoxidable, que se produce mediante ataque químico a una determinada temperatura (Follari y otros, 1985) alcanzando un resultado aceptable. Se obtuvo una relación entre el coeficiente de absorción de la radiación solar con respecto a la emitancia en el infrarrojo superior a 4. Los costos de las instalaciones requeridas para su implementación en superficies grandes impidió que esta mejora pasara a la construcción de los colectores que se comercializaban.

6. DISEÑO DEL TERMOTANQUE

El diseño del termotanque requiere el análisis de varios aspectos. Las aislaciones no deben absorber agua dado el riesgo de mojarse a la intemperie. Luego de trabajar con lana de vidrio, poliuretanos rígidos espumados y poliestireno expandido, nos inclinamos por este último, que no se moja como la lana de vidrio y no se dilata como el poliuretano. 

Otro aspecto es el espesor de la aislación: usamos 12cm, para lograr que la pérdida nocturna no superara el 8% de la ganancia diaria, o sea 3 ºC en el termo más chico (160 litros) con helada enjulio. La disposición en la instalación del equipo deja el termotanque unos 5cm por sobre el punto más alto de los colectores, lo que impide la termocirculación inversa nocturna. La forma mantiene aproximadamente la relación de altura sobre diámetro de factor 1,5 a 2. La capacidad del termo y su relación con el área colectora es un punto que merece análisis. 

En 1990 estudiamos en el Laboratorio de la Universidad colectores plásticos (Fasulo y otros, 1990) y observamos que el rendimiento en la tarde del calefón como conjunto era mucho menor que a la mañana y que la disminución no se debía sólo a que el colector rendía menos al trabajar a más alta temperatura, sino que además la circulación disminuía y se transfería menos calor al termo. Esto sugirió un termo de mayor capacidad, coherente con otras propuestas posteriores (V. Tacchi, 1993). Se realizó un nuevo dimensionamiento, de 65 a 90 litros/m², de acuerdo al rendimiento de los colectores y teniendo en cuenta la posibilidad de tener una respuesta rápida. En el trabajo de A.A.Ammar y otros de 1989, donde los autores agradecen a S.A.Klein y J.A.Duffie por sus sugerencias, se estudió la mejora en el aprovechamiento global de la energía solar en función de la carga o sea los litros de agua por m² de colector, llegando a la conclusión de que la fracción solar llegaba a 88% con 70 l/m² de colector y que alcanzaba 90% si ésta llegaba a los 100 l/m² de colector, lo que confirma nuestros resultados que van de los 65 a los 90 l/m² . 

Es necesario mantener la estratificación dentro del termo. Esto se logra con flujo natural, aislando la circulación vertical del agua que entra de los colectores al termo, cuidado no usual entre los fabricantes, pero muy bien tenido en cuenta en el diseño de Winter F y V. Tacchi. Si la circulación es forzada, no debe superar los 20 l/m² (Amman y otros 1989), para que se mantenga la estratificación. 

En la mayoría de los equipos familiares la circulación se produce por convección natural. Estas fuerzas son débiles de modo que es necesario mantener buen tamaño en los conductos y desniveles mínimos en el conexionado al instalar los equipos. 

En algunos casos, fabricantes, instaladores o arquitectos, que integran calefones a construcciones solares, no tienen en cuenta estas precauciones, lo que constituye una causa muy común de mal funcionamiento.

7. CUBIERTA DE COLECTORES

En los últimos años, un plástico, el policarbonato, ha llegado al mercado local. Posee un 80% de transmitancia, protección del ultravioleta solar que garantiza 10 años de exposición y una estructura alveolar que disminuye las pérdidas térmicas y le da resistencia estructural capaz de soportar granizo y piedra. Hicimos en la Universidad un estudio (Torres M. y otros, 1996) a fin de confirmar sus propiedades físicas y medir el rendimiento de colectores con cubierta de policarbonato. El resultado final nos muestra una caída en el rendimiento menor que 8% para el policarbonato con respecto al colector con cubierta de vidrio. 

En el caso del colector de cubierta de vidrio, la malla antigranizo es necesaria y produce un sombreado de aproximadamente 10% por lo que los resultados son comparables y su uso alternativo se decide por factores estéticos, de transporte, etc. El balance económico actualmente no es favorable para este reemplazo. El policarbonato tiene un costo que duplica al del vidrio, pero no requiere malla antigranizo. Por ello el costo final del colector completo es 7% mayor que el de cubierta de vidrio y malla. Se espera que en el futuro esta diferencia disminuya.

8. RENDIMIENTO DE LOS COLECTORES

El rendimiento del colector fue medido por la CNIE en 1988, obteniéndose las correspondientes cuatro curvas por parte de este laboratorio, que era entonces el oficial para normas IRAM. En la figura 3 podemos apreciar una de las curvas obtenidas por la CNIE en 1988 y la obtenida en nuestro Laboratorio en 1996, como parte del trabajo de comparación de un colector con cubierta de vidrio y uno con policarbonato (Torres y otros, 1996). Las diferencias apreciables en la gráfica se deben principalmente a la calidad de las cubiertas de vidrio empleadas en cada caso.

El vidrio disponible en el mercado en 1988 tenía una transmitancia entre 82 y 84 %. La tecnología Float, introducida en el país recién a principios de la actual década, permite obtener vidrios con un 4 al 8 % más de transmitancia. En la figura 4 vemos el rendimiento de varios colectores solares producidos en el país y uno importado, el Lordan. Todos estos colectores se caracterizan por su receptor construido mediante el sistema antiguo, esto es tubos con aletas. Tienen pintura negra mate sobre el receptor y una cubierta exterior de un vidrio, excepto las dos versiones del producido por EMEGE que vienen con doble vidrio. El Lordan presenta la curva de mayor rendimiento en todo el espectro de valores de abscisa, (sólo superado levemente para valores superiores a 0,1 por los colectores con doble cubierta de vidrio). Posee un receptor tipo parrilla de tubos de cobre insertados en una estructura de aluminio tipo radiador y cubierta de vidrio Floating. De la comparación de las figuras 3 y 4 se aprecia que las curvas de eficiencia de nuestro colector son muy aproximadas a la del Lordan para valores bajos de la abscisa y la superan para valores mayores de 0,05.

Los valores muy próximos en ordenadas al origen (0,8) nos dicen que ambos colectores poseen similares eficiencia óptica. Los valores mayores de nuestro colector para abscisas superiores a 0.5 nos está diciendo que éste posee menores pérdidas térmicas que el Lordan. Por otra parte estas diferencias no pueden ser atribuibles a diferencias de pérdidas laterales o por la cara posterior, pues éstas son siempre bajas en dispositivos de esta calidad.

Entonces sólo nos queda analizar las pérdidas térmicas debidas a las diferencias en la estructura de los receptores.

La eficiencia de un colector solar de placa plana está dada por la expresión:

Donde: η es la eficiencia, ι la transmitancia de la cubierta exterior, α la absortancia del receptor, F es el factor de eficiencia del absorbedor, U es el coeficiente global de pérdidas térmicas [W/m²ºC], Tfm la temperatura media del fluido [ºC], Ta la temperatura ambiente [ºC] e I la radiación solar incidente [W/m2].

F’ es un factor que expresa la eficiencia de la transferencia de calor entre la placa receptora y el fluido, esto es, la razón entre el calor extraído y el calor que se extraería si el absorbedor estuviera a la temperatura del fluido Tfm. Del análisis de la expresión empírica de Klein (14) que relaciona al coeficiente U con F y con el coeficiente global de transferencia térmica al fluido, Uf.

Torres M. (1997) determina los valores numéricos de estos coeficientes para el colector con receptor de acero inoxidable tipo sobre; para ello adaptó la expresión de Bliss (1959) para representar a este tipo de receptor, obteniendo el valor de F'= 0,99. Esto muestra claramente la razón del buen rendimiento de este colector, pues nos indica que el receptor de acero inoxidable tipo sobre trabaja a menor temperatura que los otros.

Es importante destacar que al no haber uniones o soldaduras chapa-tubo, la transferencia es estable en el tiempo y por ende el valor de F.

9. RENDIMIENTO DEL CALEFÓN COMPLETO

El usuario al momento de pensar en adquirir un calefón solar preguntará cuánta agua caliente obtendrá, con qué costo y qué duración tendrá el equipo. Esto tiene que ver con el rendimiento del calefón solar, la superficie de colectores solares necesaria y la calidad de los materiales y diseño. Un buen colector usado con circuito cerrado o con un termo mal diseñado ve reducido su rendimiento final como calefón. La eficiencia del calefón solar no es informada en general por constructores y experimentadores, a pesar de que es el dato que sintetiza la eficiencia del equipo. En general esto ocurre debido al uso del circuito cerrado o indirecto que disminuye el rendimiento final del calefón como conjunto. Por eso, en general, se informa sólo la curva de eficiencia de los colectores. Revisando los últimos treinta años de Solar Energy no encontramos un solo informe de eficiencia de calefones completos en períodos largos. 

Mediciones hechas en nuestra Universidad (Fasulo y otros, 1997) nos dan rendimientos, para circulación termosifónica, del 47,7 %. Mediciones realizadas en Tecno Solar S.R.L. (Follari y otro, 1995), para circulación forzada, nos dieron 47%. A nivel internacional (Ammar A. y otros, 1989), informan que con 50 m² de colector elevan la temperatura en 50ºC de 2400 litros de agua por día, la fracción solar promedio anual es del 90%. Esto nos, da una ganancia diaria de 451.440 Kj (promedio anual). 

Considerando la radiación media anual de Alejandría (31º de latitud norte) aproximadamente igual o algo mayor que la de San Luis, o sea al menos de 16,9 MJ/m² sobre plano horizontal (promedio anual), o sea aproximadamente 22,53 MJ/m² sobre 41º de inclinación, nos da un rendimiento del 40% de agua extraída. En el otro caso que se informa (De Winter, 1996), el rendimiento es menor, ya que en Hawaii a un calefón con 5,95m² de colector, se le extrajo en promedio 163 litros de agua por día, con un salto térmico de 45ºC, que es claramente menos que en el caso anterior.

10. CALEFÓN SOLAR ASISTIDO POR GAS

Es un calefón solar cuyo termotanque es asistido térmicamente con un quemador de gas (Follari y otro, 1995). Funciona con flujo forzado por bomba, el termo está dentro de la casa y los colectores en el techo. Este calefón, común en el hemisferio norte, es hoy recomendable en un mercado bien provisto de gas natural barato como el de la Argentina. En sus pruebas de funcionamiento se demostró que para una familia de 4-5 personas, en 15 años, el costo del agua caliente es: con el calefón solar asistido por gas natural de $ 1580, frente a $ 3416 del calefón de gas natural directo o bien de $ 8877 del calefón con gas envasado. Esto muestra la conveniencia económica de su uso, unido al hecho de que ofrece automáticamente agua caliente las 24 horas de todos los días, como lo exige el público hoy.

11. COLECTOR SOLAR ACUMULADOR

En 1997, algunos vecinos, que teniendo conciencia de la posibilidad de usar la energía solar, pintaron de negro los tanques de reserva de agua instalados sobre los techos de sus viviendas, disponiendo así de agua caliente durante varias horas del día en verano. Por otra parte aparecieron en el mercado materiales flexibles con alta transmitancia de la radiación solar, tales como el policarbonato alveolar, que posibilitan reemplazar la cubierta de vidrio de los colectores con ventajas en cuanto a las pérdidas térmicas. Ambos hechos nos inspiraron la idea y nos permitieron ofrecer un nuevo dispositivo para la captación y acumulación de la radiación solar, presentando una alternativa al calefón solar utilizado actualmente. Este dispositivo convierte el tanque acumulador del calefón solar en colector, reemplazando las cubiertas y aislaciones opacas por cubiertas transparentes. Las experiencias efectuadas (Fasulo y otros, 1997) han mostrado que, para el clima de San Luis, es autosuficiente durante unos seis meses en torno del verano y permite un ahorro importante de energía en la producción de agua caliente en el resto del año.

Este dispositivo tiene muy buenas perspectivas de ser adoptado dentro del criterio de emplear la energía solar para disminuir el consumo de energía convencional. La experimentación con este tipo de colector puso de manifiesto algunas ventajas con respecto a los colectores planos, con disposición inclinada al norte, ya que recibe radiación todo el día y además puede captar buena parte de la difusa proveniente del entorno, frecuentemente constituido por techos cubiertos con membrana aluminizada.

En nuestra experiencia, operando sobre un techo de unos 60 m² con membrana reflectante bastante opaca por el uso de más de 10 años, registramos una radiación difusa en plano vertical entre 12 y 17 % con respecto a la global tomada en la dirección de incidencia, en un día claro de invierno.

El uso de calefones solares en Argentina es hoy muy limitado, dada la oferta generalizada y económica de gas natural. Lo más probable es que su uso se incremente cuando comience a declinar la disponibilidad de gas natural en Argentina, o las autoridades decidan preservar parte de gas a las generaciones futuras. Sin embargo actualmente se advierte, por las ofertas de varias firmas comerciales, el creciente uso de calefones eléctricos y éstos sí significan un gasto apreciablemente alto con relación al uso del gas natural. Es en este punto donde podría intervenir con éxito la combinación solar convencional.

12. CONCLUSIONES

La permanente evolución del mercado requiere una necesaria evolución de las propuestas tecnológicas que lo satisfagan, siendo necesaria una permanente búsqueda de nuevas y mejores soluciones en los productos ofrecidos. buenos resultados tecnológicos alcanzados se deben en gran medida a la activa interacción entre la investigación Universitaria y la producción privada.

REFERENCIAS

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De Winter Francis (1996). El diseño de calentadores de agua de alta perfomance con uso combinado de energía solar y gas natural. Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. Nº 1, pp. 1 - 5

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Torres M. (1997) Evaluación del uso de materiales plásticos en colectores solares planos. Tesis de Licenciatura Universidad nacional de San Luis.

TWENTY YEARS OF ARGENTINIAN DOMESTIC SOLAR HOT WATER SYSTEMS

ABSTRACT - In this paper we describe the evolution of the domestic solar hot water system produced in San Luis during the last twenty years. The results of different experiences are given, and the marketing problems are discussed. Products of very good quality have been produced. They are compared again national and international standards. Efficiency measurements, global thermal losses, and other characteristics are presented.


Artículo extraído de: Energías Renovables y Medio Ambiente. Vol. 5, pp. 1 - 6, 1998. ISSN 0328-932X. Editado por la Asociación Argentina de Energías Renovables y Ambiente. 

Idea, diagramación y actualización:  Arq. Jorge Daniel Czajkowski La Plata, Argentina. 4 de julio de 2002.