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)
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