Introducción
En Alemania, USA (ASRHAE), Países de Europa (España-CENER), Brasil y otros existen laboratorios autorizados para evaluar los equipos solares los cuales han emitido normas para su construcción, evaluación y etiquetado energético.
Arequipa la ciudad de las “TERMAS SOLARES” tiene más de 70000 SCAES, las cuales fueron confeccionadas de manera técnica y artesanal, existiendo normativa en INDECOPI que debe aplicarse, para un mercado de 250000 hogares los cuales serán beneficiadas si se lograría certificar los SCAES (Sistemas de calentamiento de agua con energía solar).
Los fabricantes están produciendo aproximadamente 1000 termas solares por mes, lo que indica la aceptación de esta tecnología, que todavía no se replica en otro lugar del Perú. No existe en la ciudad entidades que fiscalicen la construcción, funcionamiento y venta de los SCAES.
En Arequipa, en la Universidad San Agustín se ha realizado trabajos de investigación en las áreas de física, mecánica y metalurgia y se ha logrado consolidar el Centro de Energía Renovables que agrupa a las áreas mencionadas.
Para ello debe existir una entidad que cuente con un laboratorio equipado con los diferentes equipos de medición que sería dirigido por el CER-EE-UNSA.
En el concurso de Proyectos de Investigación Básica y Proyectos de Investigación Aplicada 2016-02, UNSA-CONCYTEC-CIENCIA ACTIVA, se presentó el proyecto “Estudio experimental del desempeño de sistemas de calentamiento de agua con energía solar mediante un módulo estandarizado”, nivel inicial, el cual fuimos ganadores con el financiamiento de un monto de S/100000,00 nuevos soles, a realizarse en 15 meses.
2. ANTECEDENTES
En el XXII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (SPES) realizado en la ciudad de Arequipa se presentaron dos trabajos relacionados al banco de pruebas bajo normas NTP, el primero presentado por la Universidad del Centro del Perú “Laboratorio de ensayos de colectores solares térmicos y radiación solar” en donde se hace referencia a la NTP 399.400 2001 COLECTORES SOLARES: Método de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares, donde mencionan el equipamiento a necesitar para determinar la eficiencia de los colectores para SCAES1 y el otro trabajo de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa2 “Evaluación del desempeño de un banco de pruebas para sistemas de calentamiento de agua con energía solar, tipo termosifón según la norma técnica peruana NTP 399.405 2007 en la ciudad de Arequipa” en donde muestran resultados realizados en un colector solar de tubos de vacío, implementaron un sistema de enfriamiento y un sistema de precalentamiento con fin de evaluar la energía acumulada por el agua.
En el XXIII SPES realizado en Huancayo se presentó el trabajo “Eficiencia de una terma solar con colector de cobre y colector CPVC para zonas altoandinas” donde se evaluó la eficiencia diaria de un SCAES para tres condiciones de radiación solar3.
3. METODOLOGIA
3.1 COLECTORES DE PLACA PLANA
La ecuación general de eficiencia de un colector solar es 4 ecuación (1):
Dónde: Aa=área neta del colector solar, la parte negra, m2, Ag=área bruta del colector solar, m2, FR=factor de remoción de calor, adimensional de 0 a 1, (τα) = producto transmitancia absortancia, adimensional4, UL=coeficiente de pérdidas térmicas W/m2-K, Te = temperatura de agua al ingresar al colector, °C, Ta = temperatura ambiente, °C, H= radiación solar global W/m2. Con la ecuación (2) se determina el producto transmitancia absortancia:
Dónde: τ=transmitancia del vidrio, adimensional, α=absortancia de la placa plana, adimensional, ρd=albedo, adimensional,
Utilizando la ecuación (3) determinamos el calor útil instantáneo(4):
3.2 CONSIDERACIONES GENERALES
Se adiestro en el funcionamiento de los equipos cuyos resultados vamos a tomar en cuenta: los multímetros digitales, el piranómetro medidor de la radiación global, cronometro digital, flujómetro medidor del caudal de agua, anemómetro digital, medidor de humedad relativa.
3.3 BANCO PARA LA EVALUACION DE EFICIENCIAS
Para el cálculo de las eficiencias se implementó un tanque de almacenamiento de agua de 100litros con resistencias eléctricas (4 de 1,5 KW dando un total de 6KW).
Se colocó un contactor para no colapsar al termostato que controlara a las resistencias, las que darán temperaturas del agua a Ta, 39°C, 59°C y 78°C.
Se ubicará el piranómetro (medidor de radiación solar) en el mismo plano del colector solar.
Se implementó un flujómetro digital para medir el caudal de agua en GPM, un mezclador de agua caliente y fría, OFF-ON de la bomba de agua, así como válvulas. También válvulas solenoides una abierta y la otra cerrada para evaluar el flujo de masa de agua ver Fig. 1.
4. ANALISIS DE RESULTADOS
Calculando el calor útil instantáneo Qu y dividiendo entre la radiación incidente encontramos la eficiencia instantánea ƞ.
Realizando las evaluaciones y graficando: ƞ versus (Te-Ta)/H, Fig. 2.
De los 03 colectores la eficiencia máxima esta entre 54,08% a 66,73%
El coeficiente global de perdidas térmicas esta entre 2,5934 a 8,8343 W/m2-K
El colector que tiene menor valor de UL daría mayor calor útil.
CONCLUSIONES
De los resultados obtenidos de los colectores fabricados por tres empresas arequipeña, para colectores de 2m2 de área absorbedora, del parque térmico de SCAES la eficiencia máxima esta entre 54,1% a 66,7%, las perdidas ópticas máximas están entre 27,1% y 37,2% y el coeficiente total de transferencia de calor por factor de remoción esta entre 2,593 y 8,83 (W/m2-K).
La obtención de diferentes valores de eficiencia es debido a los diferentes materiales utilizados por ejemplo vidrios, superficies selectivas y otros.
El módulo estandarizado cumple con los requisitos de la norma NTP 399.400 2001 al tener los instrumentos las características mínimas requeridas.
RECOMENDACIONES
Se debería ensayar haciendo vacío entre cubierta y placa absorbedora para obtener valores más altos de eficiencia y Te-Ta/H.
Los colectores a evaluarse deben obtener eficiencia alta y el coeficiente total de perdidas menor, ensayando vidrios de alta transmitancia y mejora en materiales aislantes.