DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA ESTUFA SOLAR CPC DE REVOLUCIÓN ASIMETRICA. Flores Lara Vicente Instituto Tecnologico de Apizaco

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1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA ESTUFA SOLAR CPC DE REVOLUCIÓN ASIMETRICA Flores Lara Vicente Instituto Tecnologico de Apizaco Tel f117u2@yahoo.com RESUMEN Se describe en este trabajo el proceso de diseño y construcción, así como la evaluación de operación de una estufa CPC de revolución asimétrica. Se diseña y construye una estufa solar semiparabólica con una sección truncada, permitiendo lograr mayor aceptancia de la irradiancia solar, durante mayor número de horas al día a través del año. El dispositivo solar en cuestión se construyó a base de una estructura de acero (solera ½ x 1/8 ), y como superficie reflectora, se empleo lámina de aluminio anodizado calibre 26, con reflejancia especular del 87%. En la región focal se colocó una base metálica para soportar el recipiente que contendrá los alimentos, junto con la envolvente de vidrio transparente tipo pyrex para evitar las pérdidas de calor. Los primeros resultados que en este trabajo se presentan, corresponden al calentamiento de dos fluidos (agua y aceite) en cantidades de 1 kg, y agua en cantidades de 15 kg. Resultados adicionales que corresponden a la funcionalidad de la geometría CPC asimétrica de revolución y a las dimensiones de la estufa, con base en la concentración solar en el recipiente de cocción. Hasta aquí se concluye que su manejo no presenta dificultades y los tiempos empleados en el proceso de calentamiento son bastante aceptables con respecto a los niveles de irradiancia. Sin embargo deberán resolverse problemas de estabilidad, ergonomía y de dispersión de los rayos solares reflejados. Palabras claves: Estufa, concentrador, parabólica, compuesta, asimétrica. NOMENCLATURA δ : declinación solar [Grados] Hr : humedad relativa [%] T H2O : temperatura de la masa de agua [ C] Vv : velocidad del viento [m/s] Tamb : temperatura ambiente local [ C] m H2O : masa del agua [kg] m A : masa del aceite [kg] CPC : concentrador parabólico compuesto SMN : servicio meteorológico nacional 1. INTRODUCCION Existen diferentes estufas disponibles comercialmente, aunque las más difundidas son por su factibilidad de reproducción y economía, la estufa de concentración de pasos promovida por organismos ambientalistas en México. Su diseño se basa en la geometría de una parábola de revolución, que para hacer práctica su construcción la geometría parabólica se genera con 5 fases rectas. La segunda es la estufa de concentración CPC bidimensional desarrollada por Rincón et all 1999, y comercializada por empresas de tecnología solar. 1343

2 Esta estufa basa su diseño en la combinación de dos geometrías, la primera obtenida de la involuta de un círculo y la segunda, de una parábola con foco en un punto en la periferia del mismo círculo. Ambas cumplen con la función principal de cocinar alimentos, sin embargo debe ser constantemente corregida su orientación con respecto al movimiento aparente del sol durante el día. Por otro lado se ha ganado experiencia en el manejo de dispositivos solares de Concentración Parabólica Compuesta (CPC), como la estufa solar tipo CPC asimétrica donde el receptor tiene envolvente de vidrio o cubierta de vidrio, [Flores et all, 2004]. Esta, es de fácil construcción, transportación y económica para bajas capacidades de cocción, para un máximo 2 kg de alimentos Las estufas solares con esta geometría han presentado excelentes condiciones de operación para gran variedad de alimentos y pueden ser dimensionadas para diferentes capacidades, las que hasta ahora se han reportado son bidimensionales, robustas y presentan dificultad en su transporte por las dimensiones cuando se trata de capacidades superiores a 5 kg de alimentos, una mayor desventaja radica en la dificultad de cocinar alimentos líquidos, debido a la geometría del recipiente de cocción, siendo cilíndrica con disposición horizontal con tapa en un extremo, por lo que es común que se presenten derrame de líquidos. Una de las características de la estufa aquí propuesta es poder utilizar recipientes de cocción de uso común y poder cocinar cualquier tipo de alimento. Por otro lado, las estufas de concentración basadas en una geometría puramente parabólica, como consecuencia del movimiento aparente del sol se desenfocan y durante la cocción de alimentos requieren ser reorientadas, por lo que es necesaria la presencia de una persona de forma continua. Ahora surgen los siguientes cuestionamientos, es factible lograr procesos de cocción sin restricción de cualquier alimento?, es factible técnicamente crear una superficie CPC de revolución, funcional para aplicaciones en la cocción de alimentos con energía solar?. En este trabajo se da respuesta a las preguntas anteriores, proponiendo la construcción y operación de una estufa solar de concentración con geometría parabólica compuesta de revolución asimétrica. 2. DISEÑO El diseño de una estufa solar se basa en el volumen o masa de alimentos a cocinar, es decir de las dimensiones del recipiente que contendrá los alimentos, siendo este en la mayoría de los casos con geometría cilíndrica, algunos como la propuesta por Rincón et all 1999 o Flores et all 2004, son cilindros donde la relación longitud-diámetro es de 5 a 10. En otros diseños de estufas solares la geometría y dimensiones del recipiente de cocción se toman de los existentes comercialmente. Para las estufas solares de concentración la geometría del recipiente y sus dimensiones son el foco, y proporcionan la información para generar la forma del captador solar, la cual debe basarse en una geometría parabólica. Aspectos que deberán cumplir los diferentes diseños de estufas solares son, entre otros. - Facilidad técnica de construcción - Empleo de materiales comercialmente existentes - Alta potencia de cocción - Viabilidad económica

3 De estos aspectos la propuesta de estufa que aquí se hace presenta alto nivel de concentración, no requiere ser orientada durante su operación y emplea recipientes para cocción comerciales, con capacidades de 2 a 15 litros. La estufa solar CPC de revolución asimétrica se compone de dos elementos, captador solar y absorbedor (recipiente de cocción). En su diseño las siguientes consideraciones fueron tomadas. Emplear un recipiente la cocción de alimentos con capacidad de 7.5 litros y diámetro de 22 cm, dimensiones promedio de los recipientes empleados en las estufas convencionales. Durante su operación eliminar la reorientación por el movimiento aparente del sol, durante 4 horas. Por las dimensiones y geometría evitar la obstrucción de la irradiancia solar sobre la superficie reflectora. El diseño consiste en generar una geometría semiparabolica de revolución asimétrica, esta se basa en el resultado de la combinación de dos parábolas con focos que coinciden en una región y la geometría de una copa, conocida como la copa de Trombe-Meinel (Figura 1). La geometría de la copa es la involuta del círculo con diámetro equivalente al del recipiente que contendrá los alimentos, que para este caso fue de 220 mm y en ese círculo se hacen coincidir los focos de las dos parábolas. A continuación, el objetivo es concentrar los rayos solares en una región focal sin tener que modificar su orientación en un periodo de al menos 2 horas, tiempo necesario para la cocción de alimentos. Lo anterior se logra separando una distancia angular de 15 entre los ejes de las parábolas y el eje de la geometría de copa, esto con base en el movimiento aparente del sol (15 /h). A continuación, para aumentar el área de aceptancia de la irradiancia solar independientemente de la declinación solar, se trunca una sección de cualquiera de las dos parábolas, dando origen a la geometría que se muestra en la figura 2, siendo esta el modelo para construir un concentrador parabólico compuesto (CPC) de revolución asimétrico. 3. CONSTRUCCION A partir de lo anterior, empleando solera de ½ x 1/8 se genero la estructura del captador solar en tres dimensiones, de aquí que se considera de revolución; posteriormente se hizo asimétrica variando la altura del captador en la dirección acimutal, esto con la finalidad de tener mayor ángulo de aceptancia. 1345

4 a) Figura 1. a) Geometría principal de un CPC, b) Geometría del CPC asimétrico b) En la estructura de solera se colocó la superficie reflejante, empleándose aluminio anodizado con acabado a espejo, con reflejancia del 87% [Datos del fabricante]. La geometría del captador es semiparabólica, por lo que en la clasificación de las estufas, esta es de tipo concentración. Finalmente la geometría del captador es de un CPC de revolución asimétrica, 225 de revolución del captador se obtiene por la geometría de una copa de Trombe-Meinel y la geometría de una parábola con altura de 550 mm, resultando una área de captación de 1.2 m 2. Los restantes 135 de revolución se obtiene con la geometría de la copa con altura de 220 mm, resultando una área de captación de 0.7 m 2. En la región focal del captador se colocó el soporte del recipiente de cocción, el cual permite variar su altura y tener la mayor ganancia de calor en las diferentes épocas del año, principalmente en la época invernal cuando el sol tiene su trayectoria aparente hacia el sur del ecuador. La figura 2a y 2b muestran la geometría del captador. 4. EXPERIMENTACION Para evaluar el comportamiento de la estufa, se realizaron pruebas experimentales con cargas de un litro de agua y con un litro de aceite comestible, en condiciones climáticas donde fuera representante la variación de irradiancia solar, se experimento el dispositivo también con diferentes alimentos a cocinarse. Las pruebas experimentales se desarrollaron en el mes de marzo y abril del 2008 a una latitud de N y longitud O, en un horario local de 12 a 15 horas con niveles de irradiancia solar del orden de 450 W/m 2 a 860 W/m 2 [SMN]. Se registraron temperaturas cada 10 minutos empleando termopares tipo K y se registraron imágenes de la distribución del flujo de calor en la superficie del recipiente de cocción en diferente horario y día de pruebas. a) b) Figura 2. a). Vista de planta del captador solar de la estufa de revolución asimétrica. Area total 1.9 m 2, b). Vista lateral del captador solar 5. RESULTADOS Los resultados que a continuación se muestran corresponden a la evolución de la temperatura del agua y aceite puesta en operación la estufa solar, así mismo se muestran imágenes de la concentración de los rayos 1346

5 solares en la superficie del recipiente de cocción, lo anterior con el objetivo de mostrar la funcionalidad de la geometría CPC asimétrica. Figura 3. Evolución de la temperatura de la masa de agua. m H2O = 1 kg, Tamb. = 23 C, Vv = 2.5 m/s, Hr = 28 % Temperatura C Temperatura C Figura 4.- Evolución de la temperatura de la masa de agua. m H2O = 1 kg, Tamb. = 25 C, Vv = 2 m/s, Hr = 38 % 1347

6 Temperatura C Figura 5.- Evolución de la temperatura de la masa de aceite. m A = 1.3 kg, Tamb. = 26.5 C, Vv = 2 m/s, Hr = 42 % 5.1. Temperatura del fluido La figura 3 es el resultado de la puesta en operación de la estufa calentando un litro de agua, desde la temperatura de 16 C hasta la temperatura de ebullición, en ella que se puede observar que el tiempo necesario fue de 90 minutos, con una irradiancia promedio de 645 W/m 2. La fluctuación de la irradiacia solar propicia que los tiempos de ebullición se prolonguen para esta prueba. Un caso más extremo fue para la segunda prueba, donde la irradiancia promedio fue de 395 W/m 2, con menos fluctuación pero menores niveles de irradiancia; aquí, se cambio la temperatura de un litro de agua desde 14 C hasta 70 C siendo esta la máxima lograda en un tiempo similar al de la primera prueba, después de los 90 minutos se muestra una tendencia a disminuir la temperatura del agua, lo anterior se muestra en la figura 4. En la figura 5 se muestra las temperaturas obtenidas por el calentamiento de aceite comestible desde 18 C hasta 134 C, el tiempo empleado fue de 100 minutos con una irradiancia promedio de 580 W/m 2. En los primeros 60 minutos se logro una T = 102 C, mientras que en los restantes 40 minutos solo se logro una T = 14 C, ya que después de los 60 minutos de puesta en operación la estufa; la irradiancia disminuyó desde 922 W/m 2 hasta 207 W/m 2. La temperatura del aceite no desciende inmediatamente como respuesta a la caída de la irradiancia, la inercia térmica propicia seguir aumentando lentamente la temperatura hasta los 134 y posteriormente desciende. Pruebas adicionales que sirvieron para evaluar el comportamiento de la estufa fueron calentando agua con cargas de 15 litros, en estas pruebas se empleo un recipiente convencional con superficie azul porcelanizada por lo que su absortancia era muy baja. Debido al tamaño del recipiente para el cual no se diseño la estufa, fue imposible adaptar el equipo de medición de temperaturas, solo se registraron antes de colocar el recipiente en la estufa y al retirarlo. Para niveles promedio de irradiancia de 745 W/m2 se lograban temperaturas máximas de 64 C. Logrando estas temperaturas nos permitiría realizar procesos de pasteurización Concentración Solar A partir de observaciones durante la operación de la estufa para analizar la funcionalidad de la geometría y dimensiones de la estufa, se tiene que: con respecto a las dimensiones de la estufa, el 15 % del área de la superficie reflectora no se emplea en los días donde el ángulo de la declinación solar se encuentra entre 5 y 1348

7 10, los rayos reflejados no inciden en la superficie del recipiente que contiene los alimentos. Para lo cual es necesario aumentar la altura del soporte que fija al recipiente en la región focal, de lo contrario se tendrá que modificar la curvatura de la superficie superior del captador solar. Para estos valores de declinación, la estufa no requiere de orientación durante periodos de al menos 4 horas, pero la concentración tiende a ser puntual, esto conduce a que los alimentos en cocción no logren la ebullición uniformemente. Una segunda etapa de pruebas experimentales se realizó cuando la declinación solar tenía un valor entre 15 y 17, para este caso la distribución de los rayos reflejados en la superficie del recipiente de cocción fue más uniforme por lo tanto también la cocción de los alimentos. Las pruebas que se realizaron cuando la declinación solar se aproxima al valor de la latitud del lugar la concentración de los rayos solares son perfectamente distribuidos en la base del recipiente de cocción y si la estufa debe operar en horas antes y después del medio día solar, debido a su geometría deberá ser orientada, girándola un ángulo de 180 para tener una captación optima de la irradiancia solar. a) b) Figura 6.- Concentración de los rayos solares en la superficie del recipiente de acuerdo a la declinación solar. a).- δ = 8, b).- δ = 17 CONCLUSIONES El proceso de construcción requiere atención especial al momento de generar la geometría CPC de revolución, ya que podría cambiarse la posición de la región focal, de lo contrario requerirá corrección en el eje vertical, disminuyendo el área de captación cuando el sol se encuentre hacia el sur del ecuador. Al igual, al colocar la superficie reflejante requiere atención al realizar los cortes y generar una superficie cóncava. Es necesario buscar el procedimiento para mejorar la técnica de generar una superficie CPC asimétrica, de lo contrario la estufa solar presenta desventajas en estos aspectos. Es necesario evaluar el comportamiento de la estufa solar para diferentes declinaciones, principalmente para aquella cercana a los hacia el sur (cuando el sol pasa por el trópico de capricornio), esto con la finalidad de verificar el área de captación aprovechable y mejorar el dimensionamiento de la estufa, así como la configuración geométrica entre el captador y el recipiente absorbedor. Este dispositivo fue dimensionado para recipientes con cargas equivalentes a 7.5 kg, no obstante, se probó con cargas alrededor de 15 kg, de aquí que se recomienda mejorar la estabilidad y seguridad en el manejo del dispositivo cuando se opere con cargas superiores a los 10 kg. 1349

8 BIBLIOGRAFIA 1. Aden B. Meinel y Marjorie P. Meinel; Aplicaciones de la energía solar,, Editorial Reverté, Acosta O., R et all. (2005). Experiencias e infraestructura de la Universidad de Quintana Roo en el desarrollo de cocinas solares. International Journal of Environmental Pollution. Vol. 21, pp , Junio Jiménez A. et all. (2007), Avances en el Diseño de Concentradores Solares CPC para Fotocatálisis Heterogenea. XXXI Semana Nacional de Energía Solar, Octubre 2007, Zacatecas Zacatecas. 4. Finck, A. et all. (2007), Concentrador Solar Portatil, XXXI Semana Nacional de Energía Solar, Octubre 2007, Zacatecas Zacatecas. 5. Flores V. y Jaime Cuevas, (2004). Cocinas solares tipo concentrador parabólico compuesto. XXVIII Semana Nacional de Energía Solar, Octubre 2004, Oaxaca, Oaxaca. 6. Flores V., Acosta R. y Arroyo U., (2005). Evaluación de una estufa solar para aplicación en zonas rurales. 7 Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica, Octubre 2005, Ciudad de México. 7. Rincón E. y Osorio F. (1999). El Comal Solar Tolocatzin. Memorias de la XXIII Semana Nacional de Energía Solar; Morelia, Michoacán;