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viernes, 20 de noviembre de 2015

APLICACIONES FOTOTERMICAS A BAJAS TEMPERATURAS: COCINAS SOLARES



1. INTRODUCCIÓN

La energía es la base de toda actividad humana, por lo que debe ser utilizada con eficiencia y responsabilidad ambiental. El Ministerio de Energía y Minas del Perú el 2004 realizo un diagnóstico de la situación actual del uso de la energía solar y eólica en el país; en ella se muestra que existe una escasa cantidad de cocinas solares instaladas en todo el país, 640 en total [1]. En la actualidad  son los Organismos No Gubernamentales los que están impulsando y difundiendo esta tecnología. Según reportes e información en el tema, la ONG Francesa Bolivia Inti-Sud Soleil y boliviana ONG CEDESOL, informa que en el Perú ha distribuido entre Arequipa y Puno más de 7000 cocinas solares [2].

El escaso número de cocinas solares instaladas, nos muestra que dicha tecnología solar aun no es una tecnología apropiada por los usuarios tanto de la zona rural como de la zona urbana; más aún si la energía del Sol es económicamente rentable, viable y estable.
Para lograr un eficiente y responsable aprovechamiento del recurso energético solar, es necesario que desde las unidades familiares se genere una nueva mentalidad, una nueva cultura de uso de las energías renovables; ello puede iniciarse a partir de tecnologías prácticas y sencillas que puedan ser apropiadas por el usuario y que incorporen a su cultura de vida; ello compromete a generar mecanismos de masificación del uso de la tecnología solar orientado dentro de los enfoques de la educación ambiental y desarrollo sostenible. 

2  TIPOS DE COCINAS SOLARES
Las cocinas solares, es decir, los artefactos que permiten cocinar alimentos usando el sol como fuente de energía, se clasifican en:

2.1 Cocinas solares tipo horno o caja

Consisten de una caja térmicamente aislada que ha sido diseñada para capturar la energía solar y mantener caliente su interior. Están hechas con materiales que generalmente son de baja conducción de calor, lo cual reduce el riesgo de quemaduras en los usuarios, evita la posibilidad de incendio (tanto de la cocina como del lugar en el que se utiliza) y, además, impide que los alimentos se quemen, conservando su sabor y valor nutritivo.

2.2 Cocinas solares parabólicas o parabólicas de concentración

Se basan en la concentración de la radiación solar en un punto denominado foco, típicamente a través de un reflector parabólico. En dicho foco se coloca la olla que cocinara los alimentos. Estas cocinas generan altas temperaturas y permiten freír alimentos o hervir agua.


2.3 Cocinas solares mixtas

La mayoría de las cocinas solares se valen de los dos métodos anteriores para conseguir altas temperaturas. Los hornos lo logran añadiendo reflectores exteriores, que por reflexión aumentan la densidad energética que atraviesa el vidrio. En la mayoría de los casos los reflectores son de tipo plano. En el caso de cocinas de concentración, se logra introduciendo el recipiente con comida en otro recipiente acristalado o bolsa de plástico transparente que realice el efecto invernadero. 


2.4 Cocinas solares indirectas

Las cocinas indirectas aprovechan la energía solar almacenada en un fluido térmico para calentar los recipientes. El sol calienta un fluido térmico (aceites generalmente) a través de unos colectores solares y se almacena en un depósito aislado. Cuando se necesita cocinar, el fluido se bombea hacia las cocinas. Las cocinas deben estar lo más cerca posible del depósito para evitar pérdidas mecánicas.
Este tipo de cocinas son más complicadas de diseñar y tienen un alto costo. Se utilizan para hospitales o comedores comunes. Gracias al almacenamiento, se puede cocinar en cualquier momento de manera similar a como se hace en una cocina convencional. 


3.  PRINCIPIOS DE DISEÑO DE UNA COCINA SOLAR

3.1   GANANCIA DE CALOR

En un horno solar se logra aumentar el calor gracias a los siguientes procesos:

3.1.1  Efecto invernadero

Este efecto permite atrapar el calor al interior del horno y aumentar la temperatura como resultado del calor producido en espacios cerrados en los que el sol incide a través de un material transparente  como cobertura. La radiación solar  (fotones) pasa fácilmente a través de la cobertura y es absorbida y reflejada por los materiales que están en el espacio cerrado. La energía que es absorbida se convierte en energía calorífica, la cual tiene una mayor longitud de onda. A causa de esto, la mayor parte de esta energía radiante no puede atravesar el cristal por segunda vez, por consiguiente es atrapada al interior del espacio cerrado. Así, la luz reflejada es absorbida por los otros materiales en el espacio interior de la caja y solo atravesaría nuevamente el cristal si no hubiera cambiado  su longitud de onda.

3.1.2      Orientación del cristal

Cuanto más directamente se encare el cristal al sol, mayor será la ganancia de calor solar. Es por ello que en algunos diseños la cobertura es inclinada, de manera que el horno tenga mayor área expuesta al sol que un horno con cobertura de vidrio horizontal. En nuestro medio, a causa de su ubicación, la inclinación de la cobertura  permite una mayor ganancia de calor. Sin embargo, hay que tener en cuenta que a través de esta mayor área también se puede perder calor.

3.1.3      Reflectores

Mientras mayor cantidad de radiación solar entre en la caja, mayor será la cantidad de energía dentro de ella. Es por esto que generalmente se usan reflectores externos de aluminio pulido para aumentar la cantidad de radiación solar que incide en la cobertura de vidrio.

3.2   PERDIDA DE CALOR

La segunda ley de la termodinámica plantea que el calor siempre fluye de mayor a menor temperatura. En el caso de una cocina solar, el calor se pierde fundamentalmente por tres procesos: conducción, radiación y convección.

3.2.1  Pérdida de calor por conducción

El calor dentro de la cocina solar se pierde cuando las moléculas viajan a través de las moléculas del material de la caja hacia el aire que esta fuera de la caja. Es por esto que en todo diseño tradicional de un horno solar se usa un material como aislante térmico.
En el gráfico, la chapa absorbente calentada por el sol conduce el calor a la parte inferior de la sartén. Para prevenir la perdida de este calor vía conducción a través de la parte inferior de la cocina, la chapa absorbente se eleva de la parte inferior utilizando pequeños espaciadores aislantes.


3.2.2  Pérdidas de calor por radiación

Los materiales tibios o calientes despiden olas de calor o irradian calor a su alrededor. Estas olas de calor se irradian a través del aire. Dentro de una cocina solar tipo caja, la mayor parte del calor radiante que se despide de las ollas calientes se refleja nuevamente hacia ellas. Y aunque los vidrios transparentes atrapan la mayoría del calor radiante, una parte escapa directamente a través del vidrio. Es importante tener en cuenta que el cristal atrapa el calor radiante mejor que la mayoría de materiales utilizados como coberturas y tiene una vida útil elevada.



3.2.3  Pérdida de calor por convección

Las moléculas de aire caliente pueden escapar de la caja a través de huecos o imperfecciones en su construcción y también al abrir la puerta. Si se quiere reducir las pérdidas de calor por este fenómeno se debe fabricar un horno hermético y abrir la puerta lo menor posible.

3.3  ALMACENAMIENTO DE CALOR

Si aumenta la densidad y el peso de los materiales que están dentro del armazón aislado de la cocina solar, entonces la capacidad de mantener el calor en la caja se incrementa. Por ello, si se introducen en el horno metales, ollas pesadas, agua o comida dura que tarda mucho tiempo en calentarse, la energía entrante se almacenara como calor en estos materiales pesados, retardando el calentamiento del aire de la caja. Al mismo tiempo, estos materiales densos cargados con calor lo irradiaran dentro de la caja, manteniéndola caliente durante un largo periodo de tiempo aunque ya no reciba radiación solar, por ejemplo, en el caso de sombras o nubes que opaquen el cielo.

3.4   MATERIALES

Un buen diseño y uso de materiales adecuados garantizaran el rendimiento y vida útil de la cocina solar sin dejar de lado el tema del costo. Materiales para la construcción de una cocina solar los hay desde los industrializados hasta los naturales para las diferentes partes de la cocina pero, hay que tener en cuenta que algunos materiales de acuerdo a sus propiedades físicas, mecánicas y térmicas, van a determinar su funcionamiento y eficacia.

3.4.1      Materiales de cubierta

Sobre un material traslucido expuesto al sol, la energía radiante recibida en parte es reflejada, en parte absorbida y en parte transmitida. Para los hornos lo que nos va interesar es los materiales con alta transmitancia mientras que para cocinas de concentraciones materiales altamente reflectivos.
Se define la transmitancia de un determinado material como la relación entre la radiación transmitida y recibida. La transmitancia es función del espesor de la muestra, del ángulo de incidencia y de una propiedad intrínseca del material, definida como coeficiente de extinción. Estos parámetros se vinculan con la transmitancia por la ecuación (1), conocida  como ley de Bourguer, donde L es el espesor de la muestra en metros, K el coeficiente de extinción en 1/m y θ es el ángulo de incidencia [3].


En la tabla N° 1 se muestran valores de transmitancia y coeficientes de expansión de materiales usados como cubiertas.

3.4.2  Materiales reflectivos

Para aplicar la conversión térmica de la energía solar a la cocción de alimentos  y a otros equipos como destiladores, debe considerarse en el diseño, el uso de concentradores de radiación, ya que sin éstos difícilmente pueden alcanzarse las temperaturas requeridas. Hasta los modelos más sencillos de cocinas solares como los de tipo caja, tienen una tapa con la cara interna reflejante, que cuando se orienta correctamente  aumenta en 50 a 80 % la energía radiante recibida sobre la cubierta, o sea que se trabaja con relaciones de concentración de 1.5 ó 1.8 con las que se obtienen temperaturas de 130°C cuando la radiación solar es alta. En los concentradores de tipo paraboloide o paraboloide de Fresnel y similares, la relación de concentración puede llegar a 15 o más, alcanzándose temperaturas de 300°C en el foco [2]. Como materiales reflectivos en los concentradores solares, suelen emplearse chapa de aluminio, de acero inoxidable, espejos de vidrio, plásticos, etc. 


3.4.3  Aislantes térmicos

Un aislante térmico adecuado para cocinas solares, es un material de baja conductividad térmica, que resista las temperaturas de trabajo,  no tóxico y de costo accesible.
En la tabla 3 se indican los valores de conductividad térmica de los aislantes más conocidos, a distintas densidades. El poliestireno expandido (Tecnopor), es un buen aislante, de bajo precio, pero solamente puede usarse en la cara externa de paredes compuestas, con otro aislante en el interior, ya que no resiste más de 80°C, temperatura que se alcanza fácilmente en las cocinas solares [3].


La lana de vidrio, es también un muy buen aislante y puede trabajar a temperaturas de hasta  200°C. A temperatura mayor, se carboniza la resina que vincula los hilos de vidrio y el material se disgrega, por lo que para  temperaturas mayores, como las que se alcanzan en las cocinas de concentración, es ideal la lana mineral, de costo algo mayor.

El poliuretano expandido, resiste hasta 130°C, lo que limita su aplicación a las cocinas tipo caja sin booster. La espuma de urea formaldehído expandida, resiste temperaturas mayores y su costo es bajo, pero debe desalentarse su uso por problemas de toxicidad.
Algunos granulados minerales como la perlita y la vermiculita expandida, son buenos aislantes, de bajo costo y resistentes a altas temperaturas, pero por ser tratarse de materiales granulados, se  presentan algunas complicaciones constructivas para su uso.

3.4.4  Acumuladores de calor sensible

Los diseños más sencillos de cocinas solares, solo pueden usarse para cocinar al aire libre, durante las horas de alta radiación, cerca del mediodía. Mediante el uso de acumuladores, es posible ubicar el horno bajo techo y el sistema de colección solar al aire libre. De esta forma, en el sistema de colección se calienta el acumulador, que luego es trasladado a la zona de cocción.  Estos sistemas cuentan con la ventaja adicional de que también puede desplazarse en el tiempo el uso de los acumuladores para la elaboración de los alimentos.

Los materiales acumuladores pueden ser sólidos o líquidos, dando origen a diferentes diseños y estrategias de uso. En la tabla 4 se presentan las propiedades más relevantes de algunos materiales sólidos  empleados como acumuladores.


4        NORMAS INTERNACIONALES DE ENSAYO DE COCINAS SOLARES

4.1   Sociedad Americana de Ingenieros Agrónomos (ASAE S580)

Fue aprobado en 1997 como norma internacional de ensayo para las cocinas solares. El objetivo de esta norma es meramente comparativo, se basa en los datos de rendimiento que se desprenden de los valores de potencia desarrollados por cada dispositivo.
La norma ASAE S580 se caracteriza por ser un estándar sencillo en los cálculos pero muy significativos en la práctica comparativa.

A la hora de llevar a cabo el ensayo, debemos cumplir con el procedimiento que la norma nos especifica. Este ensayo quedará invalidado siempre que sea realizado frente a fuertes vientos, baja insolación o baja temperatura ambiente [4].

4.2    Oficina de Norma de lndia

La norma India surge como una importante necesidad ante el auge que se registra de las cocinas solares, especialmente, el modelo de caja. Estas cocinas son las más sencillas de construir y utilizar, y su rendimiento, con temperaturas de en torno a 100°C, es más que suficiente para llevar a cabo la cocción de cualquier tipo de alimento. Estos dispositivos llevan a la sociedad india, una sociedad con recursos limitados en gran parte de su población, a ver una alternativa viable tanto económica como funcional al hecho de cocinar.

Aunque inicialmente, y a causa del desarrollo de la cocina de caja en la sociedad india, la norma esté dirigida a dicho modelo, su principio de cálculo de rendimiento permite utilizar esta norma para obtener rendimientos de cualquier dispositivo de cocción y poder realizar una comparativa real de los rendimientos de las cocinas.

El método de ensayo de la Norma India no se basa en valores directos de potencia, como se podía ver en el caso anterior de la Norma ASAE S580, sino que, ante los valores de determinados parámetros que obtenemos de su funcionamiento, conseguimos calcular el valor de dos figuras de mérito que nos ayudan a clasificar la eficiencia de cada cocina.

4.3   Comité Europeo de Investigación sobre la Cocina Solar (ECSCR)

Conocidos los puntos de vista tanto de la norma americana como de la india, falta por exponer el método de ensayo desarrollado en Europa.

El estándar propuesto por el Comité Europeo de Investigación sobre la cocina solar (ECSCR) da un paso más adelante a la hora de conocer el alcance de estudio de estos dispositivos. Esta norma tiene un alcance más amplio que los ensayos expuestos hasta ahora, gran parte de su estudio se centra  en la observación de ciertos factores que hasta este momento no habían sido tenidos en cuenta a la hora de calcular eficiencia energética de cada cocina.

Los nuevos factores que se deben estudiar van desde la seguridad del propio dispositivo hasta su facilidad de uso, pasando por su durabilidad o la relación coste/amortización. Muchos de estos factores pueden ser considerados como subjetivos, pero son de gran ayuda a la hora de realizar una comparativa eficaz entre cocinas solares encuadradas en diferentes grupos de funcionamiento (concentración/acumulación).

El proceso de evaluación de los dispositivos solares que sigue la norma gira en torno a las hojas de datos obtenidas, de forma detallada, por el responsable del estudio. La toma de datos forma parte, junto a los datos adicionales proporcionados por el fabricante de la cocina (en el caso que así sea), de la denominada “Prueba base” de este ensayo.

Esta “Prueba base”, según el Comité Europeo de Investigación, debe realizarse en torno a las horas del mediodía solar, obteniendo así valores de radiación máximos, en condiciones meteorológicas óptimas.

4.4    Protocolo de ensayo de cocinas solares de la Red Iberoamericana de Cocción Solar de Alimentos (RICSA)

El protocolo ha sido adoptado por la RICSA teniendo en cuenta la bibliografía existente y tratando de indicar un método universal confiable, que permita evaluar las mejoras realizadas en nuevas cocinas solares o comparar el desempeño entre distintos modelos entre sí.
La evaluación de las cocinas solares se viene realizando desde varios años y se han propuesto diversos métodos. Existe la evaluación de los aspectos de ergonomía, seguridad, mantenimiento, y por otro lado, la evaluación del comportamiento térmico.

En la evaluación de las cocinas solares  presentadas a un concurso, se tiende a otorgar valores a cinco aspectos fundamentales:

-   Simplicidad de construcción (materiales disponibles localmente, facilidad de autoconstrucción, posibilidad de reparación).
-  Operación (capacidad útil, manipulación de la cocina, manipulación de los utensilios, facilidad de limpieza diaria, facilidad para el mantenimiento periódico).
-   Estética (forma-función, proporción entre los elementos, combinación de materiales, color).
- Costo (costo de materiales, horas de mano de obra, vida útil, costo de mantenimiento, posibilidad de ser reproducido).
- Diseño-cultura (comunicación: transmite cuales la función?, forma y contexto: medio rural, paisaje, etc.

La evaluación del comportamiento térmico ha sido siempre una preocupación, teniendo en cuenta que las densidades energéticas solares son suficientemente bajas como para que los tiempos de cocción se alarguen comparándolos con la cocción de gas o leña alternativa, siendo esto una situación que influye en la transferencia final de la cocina solar.

Ensayos para evaluar el comportamiento térmico
En este punto se incluyen todos los ensayos que son necesarios realizar para conocer el rendimiento de las cocinas solares y sus posibilidades para cocinar una determinada cantidad de carga.

Condiciones  ambientales bajo las cuales realizar los ensayos
a)      La temperatura ambiente debe permanecer entre 15 y 35C.
b)      La radiación solar deberá ser mayor de 700W/m2 en el plano del colector. Si no fuera así, se deberían indicar especialmente.
c)       La fracción de radiación difusa respecto a la radiación global deberá ser menor al 20%.
d)      La orientación hacia la posición del sol, debe ser necesaria, debe realizarse cada 15 a 30 minutos.
e)      La velocidad del viento debe indicarse siempre, y de ser posible las experiencias deben efectuarse cuando tal velocidad sea de 1m/s como máximo.
f)       Los test deben ejecutarse entre las 10 y las 14 horas solar. La razón es que el ángulo cenital es prácticamente constante cerca del mediodía y por ende durante el ensayo. 

3.1        Experiencia de ensayo de cocina solar en el  laboratorio CER-UNI


RESULTADOS DEL ENSAYO

Observaciones:

Los tiempos de cocción del agua en este tipo de cocina lleva alrededor de 2:50 horas teniendo presente un día con buena radiación solar, cuando llega la temperatura de ebullición para el agua de 100°C no se ha observado la formación típica de vapor, esto nos indica que el proceso de hervor del agua al ser tan lento no llega a producirse el cambio de fase de agua a vapor, se mantiene liquida a 100°C inclusiva a 108°C hasta donde se realizó el ensayo.

Previo al ensayo realizado se tiene que encontrar el ángulo óptimo del reflector de la cocina para concentrar, atrapar, y almacenar en mayor proporción la radiación solar al interior de la caja. Esta labor tiene que realizarse el día anterior al ensayo, de acuerdo a ello, el valor encontrado de este ángulo fue de 70°. Asimismo, la cocina se reoriento mirando al sol de acuerdo a su trayectoria cada 25 minutos.

Conclusiones:

o   La cocina solar, presenta una potencia media estándar de cocción de 51.09 W.

o   La cocina solar demoró 4:15 horas en bajar la temperatura del agua de 100°C hasta 80°C, lo que nos muestra que su comportamiento térmico es adecuado para dejar en el interior el agua y poder ser utilizada posteriormente para procesos de alimentación o limpieza en las actividades del usuario.

o   Se observó que con materiales sencillos y de fácil adquisición es posible construir cocinas solares que pueden ser utilizadas en los lugares donde exista una buena radiación solar lo que permitiría un ahorro energético y económico a los usuarios.
 
o   Para  el ensayo el valor encontrado de F1=0.05. Esto indica que hay un equilibrio entre la transmitancia óptica y el nivel de pérdidas térmicas en el sistema de la Cocina Solar en evaluación.

o   En cualquier tipo de cocina solar el agua puede hacerse hervir. Un pequeño detalle es que para hacer el agua bebible solo es necesaria la pasteurización y no la esterilización. La pasteurización tiene lugar a los 65º C (150º F) en sólo 20 minutos. Este tratamiento mata cualquier bacteria o ser patógeno, pero no malgasta la energía necesaria para la esterilización. Una de las razones por las cuales se dice a la gente de hervir el agua es la de que los termómetros no están disponibles en todo el mundo y se utiliza el hervido como indicador de temperatura.

5        GENERALIDADES DEL USO DE LA COCINA SOLAR


a)      Ahorran tiempo y dinero
Uno coloca la comida y hay que esperar entre 2 y 3 horas que se cocine, pero mientras tanto, no demanda demasiada atención, solamente reorientarlo cada  30 minutos. Entre tanto, se puede uno dedicar a otras cosas como limpiar la casa, hacer los deberes con los chicos, trabajar, etc., también:

-  El sol es gratis. Al cocinar con el sol se ahorra combustible que se puede usar por la noche, o en días nublados o fríos.
-  La comida se cuece sola, mientras uno puede hacer otras tareas.
-  Los recipientes se limpian fácilmente. La comida no se pega al interior y no deja hollín en el exterior.
-  Una cocina solar puede construirse fácilmente con materiales diversos.

b)      Son seguras, sanas y cómodas
-   No hay fuego que pueda causar quemaduras o provocar un incendio.
-   No se producen humos que causen lesiones oculares y problemas respiratorios.
-   La mayoría de las cocinas solares funcionan a 82-120ºC, temperatura ideal para mantener los nutrientes, humedad y aroma sin quemar los alimentos. Los fuegos de leña o gas, por el contrario, alcanzan temperaturas por encima de 260ºC.
-   Se puede hornear, hervir o freír ligeramente la comida en su propio jugo. Las carnes quedan especialmente tiernas.
-   La pasteurización solar de agua es una técnica imprescindible en caso de emergencias. Todo el mundo debería conocerla.
-   Cuando se cocina con el sol se evita producir calor en el interior de la casa, incluso en días cálidos y soleados.
-    Existen modelos de cocinas plegables, lo que facilita el almacenamiento y transporte para cocinar fuera de casa.

c)       Son versátiles y adaptables
Su técnica de construcción puede modificarse fácilmente para adaptarse a una gran  variedad de materiales, climas y métodos de cocina.

d)      Se usa donde hay sol pero no combustible
La cocina solar ayuda a resolver dos de los problemas más urgentes del mundo actual: la escasez de combustibles para cocinar y la transmisión de enfermedades por la falta de agua potable. La mitad de la población mundial usa leña para cocinar.

e)      Preservan bosques y suelos
En muchas áreas deforestadas los intentos de protección de los bosques restantes fallan porque la población no tiene acceso a otros combustibles que sustituyan la leña. Cada cocina solar puede ahorrar anualmente hasta una tonelada de madera en lugares de clima árido y soleado.
               
f)       Mejoran la calidad del aire
La quema de combustibles tradicionales como la madera o el gas contamina el aire y contribuye al calentamiento global. Las cocinas solares son una alternativa libre de  contaminación.

[1] Ministerio del Ambiente (MINAM), El Perú y el Cambio Climático, 92,  Perú, junio 2010
[2] http://solarcooking.wikia.com/wiki/Bolivia_Inti-Sud_Soleil#Recent_news_and_developments
[3] RICSA, Libro de Cocción Solar, cap. 1-8, Argentina, 1999.
[4] Miguel Manchado Megía, Proyecto de Fin de Carrera: Caracterización de una Cocina Solar Parabólica, Universidad Carlos III de Madrid, 88-98, España, 2010.

Páginas webs consultadas:
-   http://solarcookers.org/
-   http://www.solarcookingatlas.com/
-   http://solarcooking.wikia.com/wiki/Solar_Cookers_International_Network_(Home)