Pozas solares saturadas

Abstract

Una poza solar es un colector que actúa a la vez como acumuador de calor sensible que puede ser extraído para uso posterior. Consiste en una pileta llena con solución salina de concentración creciente desde la superficie al fondo. La radiación solar atraviesa la solución y calienta el fondo produciendo un gradiente de temperatura con un valor cercano al de la temperatura ambiente en la superficie y un valor bastante más alto en el fondo. El gradiente de temperatura tiende a desequilibrar la poza produciendo convección natural y el gradiente de concentración equilibra el sistema. Durante su uso la poza debe ser sometida a distintas operaciones de mantenimiento. La más importante es la corrección del gradiente de concentración que tiende a ser destruido por el proceso de difusión de sal desde el fondo hacia la superficie. Los métodos tradicionales consisten en agregar sal en el fondo y en lavar la superficie. Un método alternativo sugerido por Nielsen y Habí en 1975 consiste en usar una sal cuya concentración de saturación aumente fuertemente con la temperatura. En este trabajo se estudia esta alternativa con sulfato de sodio dadas sus posibilidades reales de uso en cuanto a disponibilidad y costo. Se sugieren y analizan dos métodos que no requieren la saturación de la poza a todos los niveles. El primer método desarrolla la idea que basta que la superficie esté saturada para que el mecanismo de automantenimiento funcione. El segundo método consiste en obtener una poza saturada a partir de una capa de cristales de sal en el fondo de una poza con baja concentración en la superficie. Las pozas solares con superficie saturada (PSSS) funcionan de la siguiente manera: la difusión de sal hacia arriba da lugar al crecimiento de cristales en la superficie saturada. Si éstos se dejan caer al fondo se disolverán allí incrementando la concentración de las capas profundas. Este flujo hacia abajo cancela automáticamente el flujo difusivo y da lugar al "automantenimiento del gradiente”. Se realiza un estudio teórico del caso estacionario donde el análisis de la forma de la función concentración-profundidad muestra que el parámetro Mq masa de soluto por m de poza, determina las distintas situaciones que pueden darse. Se encuentra un valor mínimo de Mq para llegar a la saturación superficial con un gradiente de concentración lineal con la profundidad y a partir de allí el aumento de MQ va produciendo una zona saturada que aumenta de espesor hasta llegar a comprender toda la poza. A efectos de no requerir concentraciones superficiales grandes e£ te planteo resulta más efectivo cuando la temperatura ambien te es baja, del orden de 10°C o menos de media. Se realizan ensayos experimentales en un prototipo de laboratorio consistente en un recipiente de 0,7 m x (0,5 x 0,5)m donde se forma el gradiente, se calienta en forma eléctrica en el fondo y se enfría a baja temperatura, alrededor de 5°C, en la superficie. Los ensayos realizados muestran que el proceso de recirculación por cristales funciona bien si se proveen centros de nucleación adecuados en la superficie. El ciclo de temperatura día-noche no resulta ser un obstáculo ya que las bajas temperaturas nocturnas son suficientes para que el proceso tenga lugar y la distribución de concentración que se logra está de acuerdo con la discusión teórica. Las pozas solares con sal en el fondo (PSSF) funcionan de la siguiente manera: la radiación solar es absorbida por la superficie de los cristales que están en el fondo, al aumentar la temperatura la sal comienza a disolverse y da lugar a capas de solución saturada. Los fenómenos involucrados en el proceso de saturación son varios: disolución de les cristales, convección de la solución por cambios de densidad debidos a la temperatura y concentración, transmisión térmica a través de cristales y solución, difusión, cambio de estado de los cristales de sulfato de sodio (de sulfato de sodio decahidratado a sulfato de sodio anhidro y solución saturada), por lo que intentar un análisis teórico desde el comienzo ha sido infructuoso. Se lleva a cabo un análisis experimental en un prototipo de laboratorio consistente en un recipiente de (0,5 x 0,5 x 0,5) m3 donde se arma la poza con calentamiento eléctrico sobre los cristales. Durante su evolución se some te al sistema a un control cuidadoso en temperaturas, densidades y altura de la capa de cristales. Los resultados recogidos muestran que existen 3 etapas bien diferenciadas.En la primera los cristales se disuelven en la solución que los rodea; la solución convecta por aumento de concentración e iguala la densidad y temperatura en toda la región cristales-solución. En la segunda el proceso de convección se detiene y comienza a establecerse un gradiente de temperatura en el seno de la masa de dicha región. Finalmente se alcanza la temperatura de cambio de fase y a partir de ese momento el mecanismo de cambio de fase colabora fuertemente con el de disolución en el proceso de saturación de la solución. Se plantea un modelo fenomenológico a partir de los balances de masa y de energía, el aspecto dinámico está incluido en algunos parámetros (coeficiente global de conductividad, sobresaturación, coeficiente de convección térmica). Se realiza una simulación numérica en computadora de los procesos a partir del modelo fenomenológico ajustando los coeficientes para reproducir adecuadamente las experiencias realizadas. A partir de los resultados obtenidos con la simulación se plan tea un modelo analítico simplificado para las etapas de disolución que constituye una base para el diseño de pozas solares a escala real. Con respecto a la comprensión básica de los fenómenos involuerados se confirman las hipótesis referidas a la zona cristaIes-solución: la saturación de la solución como factor importante en la evolución temporal del sistema y la sustitución paulatina de la fuerte convección inicial por un mecanismo conductivo. Por otra parte existen aspectos aún no resueltos y para su estudio es necesario incluir explícitamente la parte dinámica tanto en el modelo analítico como en el experimental.