Dorian Josué Pérez Córdova, UIIM. Mauricio González Avilés, UIIM

Transcripción

1 Desarrollo de un horno solar en base a un CPC tridimensional: estimación de la potencia de cocción y construcción física; como una alternativa energética para las familias en la Depresión del Balsas-Tepalcatepec Dorian Josué Pérez Córdova, auantarhu@yahoo.com, UIIM Mauricio González Avilés, gamauricio@gmail.com, UIIM Universidad Intercultural Indígena de Michoacán, Pátzcuaro Finca La Tsípekua Kilómetro 3 Carretera Pátzcuaro-Huecorio C.P , Morelia Oficinas en Paseo del Cedro No. 156 Fraccionamiento Prados Verdes C.P Resumen: Se presenta el desarrollo de un horno solar propuesto para las familias en la región Depresión del Balsas, dadas sus condiciones climatológicas como la temperatura ambiental promedio anual, niveles bajos de precipitación y excelente nivel de radiación diaria promedio anual, así como la vegetación predominante. Aunado esto la carestía del gas licuado y las emisiones involucradas en el uso de combustibles convencionales hacen al uso del horno solar oportuno y pertinente. Se establecieron dos objetivos: la construcción física y la estimación de la potencia de cocción para el caso de dos recubrimientos selectivos. En la construcción se utiliza básicamente acero al carbón para la estructura alámbrica, acero inoxidable para los espejos reflectores dispuestos en forma de concentrador parabólico compuesto tridimensional, acrílico como cubierta del horno, poliuretano como aislante y como absorbedor una olla de presión. Se sigue el protocolo Funk para la estimación de la potencia de cocción, misma que se obtiene en un primer caso para un recubrimiento selectivo de hollín y con pintura negro mate en segundo caso. En los dos casos se obtiene la potencia de cocción con cubierta y sin cubierta. Resultando ser el horno con cubierta y con recubrimiento de hollín en la olla con el que se obtiene la mayor potencia de cocción estandarizada de W. Concluyendo que las características del horno lo hacen funcional en varias latitudes y aún se puede mejorar con materiales de mayor calidad o aumentando el área de captación. Objetivos: Desarrollo de un horno solar en base a un concentrador parabólico compuesto tridimensional: construcción física y estimación de la potencia de cocción utilizando dos diferentes recubrimientos en el absorbedor y determinando el aumento de dicha potencia al colocar cubierta. Introducción. En lo que respecta al ámbito rural se puede observar que hay una dependencia histórica hacia los recursos forestales para satisfacer desde la alimentación hasta para obtener una fuente de energía calorífica.en las grandes poblaciones y ciudades es evidente la dependencia hacia el uso de combustibles convencionales como el gas LP, solo que en este caso las emisiones resultantes del uso de energías convencionales no renovables y aparte contaminantes son en una magnitud mucho más significativa. Una proyección elaborada por la Conuee (Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía) para el año Página 1 de 10

2 2006, muestra que el consumo total estimado de energía fue de 6,493.9 Peta Joules, del cual correspondería al sector doméstico el 11.6%. Donde el gas LP representa el 40%, seguido de la leña con el 36%, la electricidad el 20% y el gas natural con el 4%. Los principales usos finales de energía son la preparación de alimentos, calentamiento de agua, la iluminación y la conservación de alimentos. Lo que sí es una realidad es que las personas necesitan trasladarse hacia lugares más lejanos para encontrar ramas secas, árboles muertos o leña para combustible, lo que se traduce en que los usuarios encuentren este combustible cada vez a mayor distancia, provocándoles una mayor inversión de tiempo en la recolección, un menor ingreso económico, e incluso, conflictos sociales cuando la realizan en propiedades ajenas. Para esta problemática no se han aplicado acciones que contrarresten el problema, y es preocupante que por ejemplo un tanque de gas que requiere una familia en la actualidad represente un costo de 350 pesos y va en aumento, es por eso que ya se deberían estar aplicando acciones masivas que coadyuven a mitigar el problema. Y las tecnologías de aprovechamiento térmico son una excelente opción puesto que utilizan la energía gratuita, limpia y renovable como es la del Sol.También es un hecho que hace falta más inversión en la investigación y desarrollo de tecnologías alternativas. En el presente trabajo se plantea el diseño de un horno solar CPC pensado para las familias de la región de la Depresión del Balsas y sobre todo pensando en las familias más marginadas, vulnerables y con difícil situación económica. Es preciso mencionar que el horno solar no es una panacea, no resuelve la problemática pero contribuye fuertemente en el ahorro económico y ahorro de las emisiones contaminantes, así como en el bienestar de las familias. También es necesario recalcar que una tecnología de aprovechamiento solar debe ser oportuna y pertinente en lo que respecta al lugar geográfico, es por ello que se propone el uso del horno solar hacia las familias de la Depresión del Balsas que se encuentra entre la Sierra Madre del Sur y el Cinturón Volcánico Transmexicano, con la misma dirección de estos, y con una superficie de 7,423 kilómetros cuadrados (Atlas geográfico del Estado de Michoacán, 2004), mantiene las condiciones climáticas idóneas para el aprovechamiento de una tecnología solar de aprovechamiento térmico como lo es el horno solar. Estas condiciones consisten en una temperatura ambiente promedio anual de 30 C, lo cual hace oportuna la utilización de un horno solar ya que se reducen de sobremanera las pérdidas de calor por convección entre el horno y el aire circundante del medio ambiente. La segunda condición climática consiste en que esta región intermontana presenta la característica de sombra orográfica para la lluvia donde las lluvias son escasas, por lo que el clima es seco en la mayor parte de esta región. (Atlas Geográfico del Estado de Michoacán, 2004). De esta manera tenemos para dicha región un promedio de 300 días soleados y aprovechables para el horno solar. Para el territorio de Michoacán, incluyendo la totalidad de la región de la Depresión del Balsas recibe una radiación de entre 4.7 y 5.8 Kw h/m 2 día promedio muy alto en comparación con la de muchos países europeos por ejemplo. Lo anterior permite tomar a ésta región como oportuna y pertinente para el aprovechamiento solar térmico mediante dispositivos como el horno solar; de usar un horno solar, el gasto de las familias en la adquisición del combustible podría disminuir a partir de los tres primeros meses de uso. Página 2 de 10

3 Materiales y métodos: La estructura alámbrica del CPC se construye a partir de cuatro soleras de ½ in x 3/8 in ya con la curvatura definida por la evolvente y la copa Trombe Meinel. A continuación se muestra la curvatura, en la cual esta graficada la envolvente Trombe Meinel y la semiparábola de la copa Trombe Meinel que le da continuidad a la misma, ambas definen a nuestra parábola compuesta, de ahí el nombre de nuestro concentrador parabólico compuesto. En la gráfica se plasma la curva en dos dimensiones, para generar la curva en tres dimensiones lo único que se debe hacer es rotar la geometría alrededor del eje de simetría Figura 1: Graficación de las curvas de Trombe Meinel. De esta manera las soleras quedan unidas en sus extremos formando ángulos de 90 formando así el soporte principal; en la parte superior se refuerzan con una solera de 1 in x 3/8 in formando un cinturón superior de soporte. Sobre el soporte principal de soldan 8 aros de alambre (ver figura 2) distribuidos cada 7.5 cm, mismos que servirán de apoyo para fijar las secciones de lámina o reflectores como se observa en la figura 3. Figura 2: Vista superior y lateral de la estructura alámbrica del CPC. Con la ayuda de un plumón indeleble se dibujan 28 secciones semitriangulares con una apertura de 15 y longitud de 70 cm aprox. Se cortan las 28 secciones semitriangulares de la lámina tipo espejo con la ayuda de las tijeras. Para la perforación de las secciones de lámina se requiere apoyarla sobre la estructura alámbrica para determinar los puntos donde deberá hacerse los orificios. Una vez hechas las perforaciones se amarra la sección de lámina sobre los aros de alambre con la ayuda de los trozos del alambre galvanizado y se hace el nudo o amarre en la parte exterior del CPC con la ayuda de las pinzas. De esta manera se logra fijar la sección de lámina en la estructura alámbrica con bastante firmeza tal como lo muestra la figura 3. La siguiente sección se monta arriba de la anterior para evitar espacios y así se continua fijando cada sección de lámina sobre la estructura alámbrica, el hecho de ser 28 las secciones a fijar nos brinda la posibilidad de darle un acabado similar o cercano al ideal tridimensional. Página 3 de 10

4 Figura 3: Las siguientes secciones se van montando sobre las anteriores. Una vez colocadas las secciones de lámina y terminado el CPC tridimensional se procede a darle un recubrimiento de espuma de poliuretano en la parte posterior, mismo que nos sirve como aislante para el aire circundante en el ambiente evitando pérdidas de calor en el interior del horno, es imprescindible evitar las pérdidas por vapor que abandona el alimento, convección desde la superficie del recipiente, conducción a través de la parte inferior del recipiente a la placa absorbente y radiación. (Filippin F., et Al, 2006) Al momento de aplicarlo se infla tomando una forma muy irregular. Es por eso que al secarse se le recorta con un cuter, dándole así una forma lisa y más uniforme. Figura 4: Aplicación de la espuma de poliuretano, secado y recorte, posterior aplicación de cartoncillo. Una vez que se recortó la capa de poliuretano y ya con una superficie más uniforme se le aplica una capa de cartoncillo, con la cual se puede obtener una superficie más lisa, y dándole así una capa más de aislante. Aprovechando que el material es cartoncillo se puede recubrir con impermeabilizante o pintura de aceite. La base se elabora en un taller de soldadura, en el cual se le da un rolado a un tramo de tubo de acero cédula 30 para formar un semiarco, a este se le soldan dos codos en los extremos que servirán como eje giratorio para el CPC. En la parte inferior central del arco se solda un balero mismo que se solda a una placa cuadrangular de acero. La placa de acero sirve como soporte para soldar las 4 patas que sostendrán o a toda la estructura. Así obtenemos una base o tripie que nos permite colocar al CPC con la facilidad de girarlo 360 sin la mínima dificultad y aparte orientarlo según la altitud solar tal como se muestra en la figura. Para sostener al absorbedor, en este caso la olla de presión, se elabora una canastilla en base a una rejilla de alambre delgado, reforzada con un cinturón superior de solera 1/2 in x 1/8 in, mismo al que se le soldan los brazos de 30 cm con el mismo tipo de solera mencionado. En los extremos de los brazos se soldan codos (ver figura 5), mismos que serán los puntos de apoyo para deslizarse en los ejes centrales del horno, permitiendo así un suave deslizamiento a la olla pero manteniendo su verticalidad. Página 4 de 10

5 Figura 5 : Elaboración de la base giratoria, canastilla y mecanismo giratorio. Es necesario que el CPC tenga puntos de apoyo en los cuales pueda estar sostenido y a la vez poder girar para ajustarse a la altitud solar, para ello se corta una pequeña sección de placa de acero a la cual se solda un codo (tubo de acero cedula 30) de apenas 3 cm de longitud (figura 5). Este dispositivo se solda en ambos lados del CPC generando así un mecanismo giratorio (figura 5) para nuestro CPC. En esta parte los ejes centrales juegan un papel principal ya son ellos los que van desde los extremos del semiarco hacia el mecanismo giratorio del CPC, y de ahí hacia los brazos de la canastilla, permitiendo así el deslizamiento de todas las partes sin problema alguno. Cabe mencionar que es totalmente separable, es decir se desarman sin dificultad. Figura 6: Vista del horno Ecobalsas. Es fundamental conocer cualidades de un horno solar como su facilidad de uso-mantenimiento, costo, tamaño y rendimiento térmico, pero se requiere de algo adicional como lo es la estimación de la potencia de cocción. De esta manera podemos comparar un modelo de horno o cocina solar con otro de características similares o totalmente diferentes en razón de su desempeño térmico. A continuación se detalla la metodología utilizable para la estimación de dicha potencia. El protocolo Funk es una metodología que ido perfeccionando a tal grado de establecerse como metodología universal en la evaluación y comparación de los diferentes tipos de cocinas solares en diversas latitudes y determina 2 tipos de variables a considerar. Variables no controladas: Viento, temperatura ambiente, temperatura de contenido de la olla, insolación, altitud solar y acimut. Variables controladas: Carga del recipiente: con 7 kilogramos de agua por metro cuadrado de área colectora. El horno Ecobalsas cuenta con un área de captación de m 2, por lo cual se cargó con 3.7 kg de agua. Las mediciones se hicieron cada 5 minutos. Seguimiento y alineación solar: Fue necesario direccionar 3 veces el horno solar durante la prueba, tratando siempre de mantener la mayor radiación directa incidente. Sensor de temperatura del agua en el interior del recipiente: El termómetro se sumergió en el centro, hasta 1cm antes de tocar el fondo de la misma. De acuerdo con Paul Funk (1997) el procedimiento fue el siguiente. Registro: la temperatura promedio del agua en una cocina fue registrada cada 10 minutos con un décimo de grado si es Página 5 de 10

6 posible. La insolación solar ( w m ) 2 y la temperatura ambiente se registraron también con la misma frecuencia. Asimismo, se registró la frecuencia de reorientación y el ángulo acimutal durante los ensayos (orientación solar). Cálculo de la potencia de cocción: la diferencia en la temperatura del agua cada intervalo de 10 minutos se multiplica por la masa y el calor específico del agua contenido en la olla (4186 J/kg K). Al dividir el producto por el tiempo involucrado en el intervalo (en segundos), se obtiene la potencia de cocción en W. La fórmula se enuncia a continuación P C =m c c p d T c dt m c c p T t : donde T =(T 2 T 1 ) (1) Estandarización de la potencia de cocción: la potencia de cocción para cada intervalo se corrigió para una radiación solar estándar de 700 w m 2, multiplicando la potencia observada por 700 w m 2 y dividiendo por la radiación promedio registrada durante el correspondiente intervalo. La razón es facilitar la comparación de resultados obtenidos en diferentes localidades y en diferentes días del año. Graficación y Recta de regresión: a partir de los datos obtenidos al menos en 30 observaciones se puede determinar la recta de regresión, cuyo R² debe ser mayor de Se llevaron a cabo 2 pruebas en campo, en la primera de ellas se determinó la potencia de cocción del horno Ecobalsas sin la colocación de la cubierta, esto para establecer un primer resultado y posteriormente obtener la potencia de cocción del horno con cubierta, determinando así el aumento de temperatura que genera la colocación de la misma. En esta primera parte se recubrió la olla con pintura color negro mate. En una segunda parte se repiten las pruebas, pero utilizando una olla también de presión de menor tamaño y recubriéndola con una película selectiva de hollín, obteniendo de esta manera resultados mucho más satisfactorios. Figura 7: Instrumentación y ejecución de las pruebas para la estimación de la potencia de cocción. En la ejecución de la prueba se utilizó la siguiente instrumentación: Un solarímetro Daystar. Su pantalla digital de cuarzo muestra instantáneamente la lectura de la irradiancia, con un una tolerancia de +/- 3% a Página 6 de 10

7 1000 W/m 2. Un termómetro digital laser marca Peak Tech 4980 Infared Thermometer. Multímetro digital Fulgore, modelo FU0235 Clamp Meter. Al que se le conecta sensor lector de temperatura sumergible, y otro rígido que se coloca en la superficie de la olla. Un medidor de humedad relativa y temperatura ambiental Digital Hygro-Thermometer Alla France. Un cronómetro digital para registrar las mediciones en tiempos exactos. Anemómetro (Skywatch atmos) con funciones adicionales de termómetro ambiental e higrómetro, se coloca al exterior para medir las condiciones ambientales. Los datos de los sensores de temperatura del agua, temperatura ambiente, humedad relativa, velocidad del viento y radiación solar fueron registrados de manera manual. En este caso la instrumentación consistió en la introducción de un sensor tipo K de temperatura en el interior de la olla de presión, sumergida en el agua a 1 centímetro del fondo. Resultados: Estimación de la potencia de cocción del horno Ecobalsas sin cubierta (pintura negro mate). Para esta prueba la potencia de cocción no estandarizada del horno obtenida de aplicar el protocolo de Funk es de 66.4 W, con un área de captación de metros cuadrados. La potencia de cocción estandarizada para esta prueba quedó de la siguiente manera: 700W Potencia de cocciónestandarizada=66.4w W =52.99W Gráfica 1: Incremento de la temperatura respecto al tiempo, del horno sin cubierta (pintura negro mate). En esta prueba se pudo observar que el incremento de la temperatura fue bastante irregular, posiblemente por la constante emitancia de la película selectiva para este caso la pintura negro mate. 2) Estimación de la potencia de cocción del horno Ecobalsas con cubierta (pintura negro mate). Para esta prueba la potencia de cocción no estandarizada del horno obtenida de aplicar el protocolo de Funk es de 90.9 W, con un área de captación de metros cuadrados. La potencia de cocción estandarizada para esta prueba quedó de la siguiente manera: 700W Potencia de cocciónestandarizada=90.9w W =72.4W Gráfica 2: Incremento de la temperatura respecto al tiempo, del horno con cubierta (pintura negro mate). En esta prueba se pudo observar que el incremento de la temperatura fue menos irregular, en este caso la colocación de la cubierta le significa menos pérdidas de temperatura por convección y un incremento continuo en la temperatura sin lecturas repetidas como sucedió en la prueba anterior. Posiblemente la emitancia de la pintura negro mate no afecta debido al efecto de la cubierta, que mantiene a las ondas emitidas del tipo infrarrojo de longitud de onda larga dentro del horno, manteniendo así la mayor parte del calor dentro Página 7 de 10

8 de la olla y el calor emitido se mantiene circundante dentro del horno. 3) Estimación de la potencia de cocción del horno Ecobalsas sin cubierta (hollín). A partir de los resultados obtenidos en las pruebas de calentamiento con la olla de presión recubierta con pintura negro mate se detectó que la alta emitancia de dicha pintura de 0.9 (Almanza R., y López S.) provocó un incremento de la temperatura del agua bastante irregular, lo cual se puede mejorar al utilizar una película selectiva de menor emitancia como lo es la obtenida con el hollín de ocote. Experimentalmente se detectó con la ayuda del termómetro digital láser marca Peak Tech 4980 Infared Thermometer, una menor emitancia por parte de la película selectiva de hollín de aproximadamente 0.6, lo cual se traduce en un incremento más regular de la temperatura y una mayor temperatura en el interior de la olla. A continuación se presentan los datos obtenidos en la estimación de la potencia de cocción para el horno solar con la olla recubierta con la película selectiva de hollín. Para esta prueba la potencia de cocción no estandarizada del horno obtenida de aplicar el protocolo de Funk es de W, con un área de captación de metros cuadrados. La potencia de cocción estandarizada para esta prueba quedó de la siguiente manera: 700W Potencia de cocciónestandarizada=113.8w W =90.7W Gráfica 3: Incremento de la temperatura respecto al tiempo, del horno sin cubierta, película selectiva de hollín. En esta prueba se pudo observar que el incremento de la temperatura fue regular, aunque la olla estuvo en contacto con la temperatura ambiente, se dio un incremento sin lecturas repetidas. La película selectiva de hollín no permitió disminuciones en la temperatura del agua. 4) Estimación de la potencia de cocción del horno ecobalsas con cubierta (hollín) Para esta prueba la potencia de cocción no estandarizada del horno obtenida de aplicar el protocolo de Funk es de W, con un área de captación de metros cuadrados. La potencia de cocción estandarizada para esta prueba quedó de la siguiente manera: 700W Potencia de cocciónestandarizada=140.9w W =112.3 Gráfica 4: Incremento de la temperatura respecto al tiempo, del horno con cubierta y película selectiva de hollín. Se ha demostrado el buen funcionamiento del CPC tridimensional como una alternativa viable para su aplicación en hornos solares. El horno solar Ecobalsas da una forma de cocción segura e higiénica con promedio de cocción de alimentos de 3 horas. Su costo oscila entre los $2,000 pesos y es capaz de cocinar los alimentos necesarios para una familia promedio. El horno solar Ecobalsas demostró alcanzar una potencia de cocción estandarizada de W lo cual lo sitúa como una excelente opción de horno solar; y lo hace Página 8 de 10

9 funcional para regiones con temperatura ambiente altas y bajas, debido a la cubierta que reduce cualquier pérdida por convección con el aire circundante del ambiente. Bibliografía: Almanza R. y López S. Utilización de las superficies selectivas en la energía solar. Instituto de Ingeniería UNAM. Atlas geográfico del Estado de Michoacán, (2004). Duffie J.A. and Beckman W.A. (1980). Solar Engineering of Thermal Processes, p Wiley Interscience, New York, USA. Estrada Cagijal Ramírez V., Almanza Salgado R. (2005). Irradiaciones global, directa y difusa, en superficies horizontales e inclinadas, así como irradiación directa normal, en la República Mexicana. Serie Investigación y Desarrollo, Instituto de Ingeniería UNAM, México DF. Filippin F., Iriarte A., Saravia L. (2006). Estudio comparativo de ollas en una cocina solar tipo caja. Facultad de Cs. Exactas y Naturales Universidad Nacional de Catamarca, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 10. Funk, P. (2000). Evaluating the International Standar Procedure for Testing Solar Cookers and Reporting Performances. Solar Energy Vol. 68, No. 1, pags 1-7. González-Avilés, M., López Sosa, L.B., Pérez Córdova, D.J., González-Pérez, D., Villa-López, A. y Servín-Campuzano, H. (2012a). Desarrollo de la cocina solar Jorhejpataranskua. Universidad Intercultural Indígena de Michoacán. (inédito). Kinambo C Z M. (2007). Development and performance testing of solar cookers Department of Energy, University of Dar es Salaam, Journal of Energy in Southern Africa, Vol 18 No 3. Macía A.F., Estrada D.A., Chejne F., Velasquez H.I., Rengifo R. (2005) Metodología para el diseño conceptual de cocinas solares. Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. Revista DYNA. Propuesta: Manual para capacitadores. Apoyo a familias de bajos ingresos en el uso eficiente de energía: Conuee Enero, 2007 SENER Rincón E.A., Lentz A.E. La cocina solar tolokatsin 3. XIV Congreso Ibérico y IX Congreso Iberoamericano de Energía Solar Vigo, Galicia, España, junio 2008 M. Vázquez y J.M. Santos (Editores). Secretaría de Energía (2004). Sistema de Información energética de la secretaria de energía. México: autor. Página 9 de 10

10 Senthilkumar, S., Perumal, K & Srinivasan, P.P.S. (2007). Construction and performance analysis of a three dimensional compound parabolic concentratoxr for a spherical absorber, Journal 558 of Scientific & Industrial Research Vol. 66, July 2007, pp Página 10 de 10