Desarrollo de una cocina híbrida solar-biomasa Biosol

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1 Desarrollo de una cocina híbrida solar-biomasa Biosol Susana Fonseca F., Jorge L. Abdala R., Pedro Griñán V., Marco A. Flores B., Jorge L. Sánchez H., Ciro C. Bergues R.

2 DESARROLLO DE UNA COCINA HÍBRIDA SOLAR-BIOMASA BIOSOL Primera edición Enero, 2012 Lima - Perú Susana Fonseca F. Jorge L. Abdala R. Pedro Griñán V. Marco A. Flores B. Jorge L. Sánchez H. Ciro C. Bergues R. PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 0477 Editor: Víctor López Guzmán guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlopster twitter.com/guzlopster Lima - Perú

3 PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD) El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, ebook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. El per sonal docente jugará un rol de tutor, facilitador y conductor de proyectos

4 de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital. Lima - Perú, enero del 2011 El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica Víctor López Guzmán Editor

5 DESARROLLO DE UNA COCINA HÍBRIDA SOLAR-BIOMASA BIOSOL Susana Fonseca F. *, Jorge L. Abdala R. *, Pedro Griñán V. *, Marco A. Flores B. * *, Jorge L. Sánchez H. *, Ciro C. Bergues R. * * Centro de Investigaciones de Energía Solar Carretera de Siboney Km 51/2. Reparto Abel Santamaría C.P Santiago de Cuba, Cuba, sfonseca@cies.ciges.inf.cu ** Sección de Energía, Departamento de Física, Universidad Nacional Autónoma de Honduras Ciudad Universitaria, Apartado Postal U8769 Tegucigalpa, Honduras, marcoaflores@yahoo.com Resumen Se describe la concepción, construcción y pruebas de una cocina híbrida solar-biomasa. La parte solar es un diseño tipo caja, la cual se auxilia desde el punto de vista energético de un pequeño horno de biomasa, destinado a la combustión de leña o carbón en caso de insuficiente radiación solar. Se presentan los resultados experimentales de las pruebas realizadas, en las que se determinaron los números de mérito F1 y F2, así como el cálculo de la potencia de cocción efectiva. Se evalúa el funcionamiento del horno de biomasa para diferentes dosificaciones de combustible y su eficiencia. Introducción Existe gran necesidad de desarrollar alternativas apropiadas para la cocción de alimentos en los países en desarrollo. Los recursos forestales de estos países cada día se ven mas afectados y existe menor disponibilidad de ellos, a la vez que su combustión para la cocción de alimentos produce resultados negativos para el medio ambiente. Existen varias razones por las que se hace necesaria la disminución del consumo de leña para la cocción de alimentos, entre ellas podemos citar factores económicos ya que se conoce que actualmente la leña y el carbón se comercializan a precios relativamente altos en comparación con otros combustibles fósiles y factores de salud ya que las cocinas utilizadas actualmente son inadecuados técnicamente pues no permiten evacuar los gases de la combustión y la limpieza frecuente de las cenizas se hace engorrosa lo que provoca afectaciones a la salud humana por el humo, el tizne y el calor transferido al medio. Considerando los aspectos referidos con anterioridad, es recomendable el desarrollo de cocinas de combustión de biomasa que contribuyan a reducir las emisiones de humo, cenizas y calor al medio, el consumo de leña y carbón y el impacto negativo al medio ambiente, producto de la utilización racional de la leña y el carbón como recurso energético. Por otra parte es conveniente tener en cuenta que la cocina solar es una alternativa para disminuir el consumo de recursos forestales y la contaminación del medio ambiente que esto trae aparejado. Debido a ello se han desarrollado una gran cantidad de investigaciones y gran variedad de cocinas solares. Tratando de adaptar los diseños a las condiciones especificas de cada lugar y de disminuir los inconvenientes que estas presentan también se han desarrolla cocinas híbridas mediante el uso de otras fuentes alternativas de energía. En nuestro país por diversas razones las cocinas solares hasta el momento no han alcanzado un nivel de utilización significativo. Entre las causas que influyen en ello se encuentran las características propias de este equipo solar, a saber: Se trata de un equipamiento relativamente caro. Pueden ser incompatibles con las prácticas tradicionales de cocción de alimentos. Relativamente complicadas de manejar. Bajo rendimiento con radiación difusa. Funcionan a la intemperie. No funcionan de noche. Puede existir peligro de quemaduras en las manos. No siempre están disponibles para su adquisición. Su correcto funcionamiento requiere entrenamiento de los usuarios. Por otra parte en el clima cubano la intensidad de la radiación solar tiene un valor considerable, algo mas de 5 kw-h/ m 2 día como valor promedio anual. Seminario Internacional Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo, Cusco - Perú

6 Además la variación de un lugar a otro del país no es significativa, debido a su posición geográfica, alargada de este a oeste y entre los 20 0 y 23 0 de latitud norte, tampoco es significativa la variación entre el verano y el invierno. Sin embargo, la nubosidad en Cuba es muy alta, debido principalmente a los mares que la rodean. Esto hace que la radiación solar sea muy intermitente y variable en intensidad. La radiación difusa tiene un valor promedio mayor del 40 % y la cantidad promedio de días nublados por mes es mayor de 10, aunque es difícil encontrar un día en que no salga el sol aunque sea por un momento /2/. En el caso de las cocinas, debido a la alta fiabilidad requerida para su funcionamiento diario, consideramos necesario disponer de una fuente energética auxiliar, que garantice su funcionamiento adecuado durante todo el año y en disímiles condiciones climáticas. Es por ello que se ha pensado en desarrollar un modelo de cocina híbrida, solar-biomasa. Teniendo en cuenta nuestros requerimientos y el estado de las investigaciones a nivel nacional e internacional, hemos trabajado de conjunto con especialistas hondureños siendo el objetivo de nuestro trabajo desarrollar una cocina híbrida solarbiomasa (BIOSOL) para ser empleada en la elaboración de alimentos en pequeños comedores sociales. 2. Desarrollo la que se asientan los recipientes para la cocción de alimentos y fue pintada de color negro mate. Los laterales de la cámara de cocción fueron forrados con papel de aluminio reflectante. De esta manera la cocina quedó formada por dos cámaras: una cámara de cocción (parte solar) y una cámara de combustión de biomasa. En esta última la biomasa (leña o carbón) se quema sobre una pequeña parrilla hecha de barras de acero de 10 mm de diámetro, debajo de la parrilla existe una gaveta para la recogida de las cenizas. Los gases producto de la combustión se evacuan al medio mediante una chimenea situada en la parte posterior. La entrada de aire fresco se realiza por orificios en los laterales de la gaveta de recolección de cenizas y pasan por el fondo de la cámara de combustión. La cocina cuenta con dos puertas, una para la entrada y salida de los recipientes de cocción y otra para la entrada de biomasa. En la parte superior se colocó una doble cubierta de vidrio de 4 mm de espesor, dividida en dos secciones. Para esto se construyó como una pieza independiente un marco de madera que sostiene ambas láminas de vidrios, usando un separador de madera de 20 mm entre ambas láminas de vidrio. El marco se fija a la estructura de la cocina mediante tornillos. Se construyó un reflector de chapa de acero galvanizado de 0.5. La chapa fue cubierta con papel de aluminio reflectante pegado con cola de acetato de polivinilo. 2.1 Descripción de la cocina Es una cocina cuya concepción parte de un modelo de cocina solar tipo caja que posee 1 m 2 de área de captación y utiliza un reflector. Debajo de la cámara de cocción lleva un pequeño horno que permite la combustión de cierta cantidad de biomasa, suficiente para suministrar la energía auxiliar necesaria en la cocción de los alimentos durante los períodos en que la energía solar no sea suficiente. Para el fondo y paredes de la envoltura, se utilizó chapa de acero galvanizado. Se colocó como aislante térmico fibra de vidrio de 38 mm de espesor por el fondo y laterales. Para la construcción de la cámara de combustión se utilizó chapa de acero CT3 conformada en forma de caja que tiene en su parte frontal una puerta. Entre la cámara de cocción y la de combustión se colocó una chapa de acero CT3 (Fig. 1). El fondo de la cámara de cocción constituye la superficie de absorción de la radiación solar sobre Figura 1. Cocina híbrida solar biomasa BIOSOL Seminario Internacional Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo, Cusco - Perú

7 La evaluación de la cocina híbrida Biosol, en lo concerniente a la componente solar, se realizó de acuerdo al protocolo de Metodología de Evaluación de Cocinas Solares propuesto por la Red Iberoamericana de Cocción Solar de Alimentos (RICSA), y la componente biomásica se evaluó calculando el porcentaje de aprovechamiento del calor de combustión de la biomasa. En la Fig. 2 se muestra que durante la prueba con orientación de la cocina el tiempo que demora el agua en alcanzar los 80 o C fue de 1 hora 15 min, y el tiempo que demora en alcanzar los 90 o C fue de 3 horas 10 minutos. O C :00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 Hora solar Fig. 2 Temperatura del agua en las pruebas con orientación Potencia de cocción standarizada (W) y = x R 2 = Diferencia de temperatura ( o C) Fig. 3 Potencia de cocción en las pruebas con orientación En la Fig. 4 se puede observar que en las pruebas sin orientación el tiempo requerido para alcanzar los 80 ºC fue de 3 horas diez minutos, y el tiempo que mantiene la temperatura por encima de los 80 ºC fue de 1 hora 20 minutos, confirmando la inercia térmica que presenta este dispositivo. O C :00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 Hora solar Fig. 4 Temperatura del agua en las prueba sin orientación Potencia de cocción standarizada (W) y = x R 2 = Diferencia de temperatura ( o C) Fig. 5 Potencia de cocción en las pruebas sin orientación La evaluación realizada a la cocina híbrida Biosol permitió determinar los números de mérito F1 y F2 los cuales alcanzaron valores de 0.08 (W/m 2 0 C) -1 y 0.21 respectivamente, valores aceptables si se piensa en una cocina híbrida solar-biomasa, donde se hace necesario realizar adaptaciones en el diseño para permitir el funcionamiento adecuado del horno de biomasa. Así mismo, se determinó la potencia de cocción la cual para una diferencia de temperatura de 50 ºC presenta valores de 80 W cuando la prueba se realiza con orientación (Fig. 3) y 58 W cuando se realiza sin orientación (Fig. 5), El cálculo de la eficiencia del horno de combustión de leña da un valor de 21%, superior al 5% máximo reportado en las cocinas de leña tradicionales pero algo menor que el que puede alcanzarse en las cocinas eficientes. Adicionalmente se realizaron pruebas con leña y carbón en diferentes condiciones ambientales, para días de alta y baja insolación. Cuando las pruebas fueron realizadas con carbón se pudo determinar que en días de baja insolación ( <18000 kj) utilizando 1 kg de carbón se puede mantener la temperatura de 7.2 kg de agua por encima de los 80 0 C durante 5 horas, en el caso de utilizar leña se requieren 3.7 kg para mantener esa misma masa de agua por encima de los 80 0 C ese mismo tiempo. Esto representa un ahorro de 77 % comparado con el consumo de las cocinas tradicionales. En días de buena insolación (>18000 kj), para mantener la temperatura de esa masa de agua por encima de los 80 0 C sólo se requieren 0.7 kg de carbón y 2.6 kg de leña que representan un ahorro de 84 % al compararlos con el consumo de las cocinas tradicionales de biomasa. Se realizaron pruebas de cocción con diferentes alimentos tales como arroz, vegetales, carne de carnero, plátano y en diferentes condiciones climáticas, siendo satisfactorio el comportamiento de la cocina en todos los casos. A continuación se presentan muestras de los alimentos cocinados. Seminario Internacional Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo, Cusco - Perú

8 Conclusiones La cocina híbrida solar-biomasa (Biosol) es apropiada para el uso a escala comunal. En la evaluación de la cocina se determinaron los números de mérito F1 y F2 los cuales alcanzan valores de 0.08 (W/m 2 0 C) -1 y 0.21 respectivamente, y la componente biomásica reporta una eficiencia de 21%, superior al de las cocinas tradicionales. La cocina híbrida BIOSOL permite reducir el consumo de biomasa en valores apreciables que oscilan entre el 84 y 77%. También se disminuyen las afectaciones a los usuarios que utilizan cocinas tradicionales de leña, y contribuye a la conservación del ambiente. Bibliografía 1. Bergues I., et. al.: Consumo y flujos de combustibles forestales en los sectores residencial, pequeño industrial y alimenticio estatal de la provincia Santiago de Cuba, Informe de resultado de tarea técnica, Centro de Investigaciones de Energía Solar, Cuba, Bérriz L y Alvarez M. : Las Cocinas solares: ventajas y desventajas. Energía y tú, Collares Pereira, M: Proyecto de Investigación cooperativa, Nuevas tecnologías de cocinas solares, Energia News: Implications of Renewable Energy for Women in Agrica: Challenges and Opportunities. Vol 3, October, Programa de desarrollo de las fuentes nacionales de energía. Cuba. CNE. Junio de Propuesta de procedimiento para la evaluación del desempeño térmico de cocinas y hornos solares, Colectivo de autores, Red RICSA, Revista Energía: Sugerencias para el diseño de cocinas eficientes con leña, aserrín, turba, afrecho de café, cisco de coke, etc. N 0 1/ Solís, H, et al: Estrategias de diseño de cocinas solares. La Revista Solar, N 0 35, Zúñiga López, R: Construcción y mantenimiento de los fogones eficientes. Editorial Pueblo y educación. La Habana, Seminario Internacional Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo, Cusco - Perú

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