DISEÑO CONCEPTUAL DE UNA COCINA SOLAR INDIRECTA. Jaime CUEVAS, Roberto ACOSTA, José HERNÁNDEZ, Manuel ARJONA, Harald ALBRECHET

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1 DISEÑO CONCEPTUAL DE UNA COCINA SOLAR INDIRECTA Jaime CUEVAS, Roberto ACOSTA, José HERNÁNDEZ, Manuel ARJONA, Harald ALBRECHET Universidad de Quintana Roo, México.Av. Boulevard bahía s/n. Tel-fax; ; jaicueva@correo.uqroo.mx Palabras clave: Solar, Cocinas, CPC RESUMEN Este trabajo se enfoca en el diseño de una cocina solar tipo indirecto, cuyas características principales son: bajo o nulo ajuste de orientación ( estacionaria), un rango de operación de temperatura mayor a los 100 grados centígrados, acorde a las necesidades de la región del sureste de la república, y con la posibilidad de construirlo empleando en su mayor parte materiales del país. Con estos criterios se ha planteado desarrollar la cocina dividida en tres componentes: un colector con alta eficiencia de captación de la energía, un mecanismo para la transferencia de calor a la zona de cocción, y un mecanismo para la cocción de los alimentos. En la selección de la tecnología para cada componente, se evaluaron las diversas opciones disponibles. El resultado es la selección de un colector con un perfil en dos dimensiones de la tecnología conocida como concentrador parabólico compuesto ( CPC), completado con una evolvente circular conocida como la copa de trombemeinel. Por el lado del mecanismo de transferencia se seleccionó la tecnología de tubo de calor debido a que en la literatura se reporta como de mayor eficiencia con base a una tecnología simple. El mecanismo de cocción, inicialmente esta enfocado a una olla que fungirá como condensador del tubo de calor, obteniendo la energía de la parte inferior y aislada térmicamente para minimizar las perdidas. INTRODUCCIÓN Uno de los principales usos de la energía, es la cocción de alimentos, que en las zona rurales de nuestro país se cubre en gran de medida a través de la combustión de leña con los consecuentes daños en la salud de los usuarios, la deforestación del campo y contaminación del aire. Para resolver esta problemática se han propuesto entre otras opciones el uso de cocinas, hornos y comales solares, sin embargo no han sido plenamente aceptados en México, en buena medida porque la mayoría de los diseños propuestos, conllevan a cocinar bajo los rayos del Sol, causando molestias como insolaciones y destellos en la visión al intentar realizar los ajustes en la orientación. Las propuestas de cocinas en el mundo son muy variadas en función de su uso, muchas de ellas se encuentran en el rango de bajas temperaturas, es decir menos de cien grados, que si bien permiten cocinar una gran variedad de alimentos y son útiles en pueblos donde su base alimentaría es el arroz y las 1

2 verduras, difícilmente pueden utilizarse para cocinar los alimentos característicos del pueblo mexicano como son los frijoles y las tortillas. OBJETIVO Desarrollar una cocina solar indirecta de temperatura rmedia que tenga posibilidades de cocinar alimentos que son parte de la dieta diaria de la población del sureste mexicano. Alcance En este trabajo se presenta principalmente la parte conceptual del diseño del colector de una cocina solar indirecta de temperatura media. METODOLOGÍA La metodología empleada para el diseño del colector de la cocina solar fue: a) Definir los criterios de diseño que permitan el cumplimiento del objetivo planteado, como base de referencia para una evaluación y selección de los componentes. b) Realizar una evaluación de las tecnologías disponibles. c) Detallar el diseño del colector. Desarrollo Los criterios básicos que se establecieron para el diseño para la cocina solar son: 1)Estacionaria: Se prefiere esta característica, que por un lado limita la concentración de energía y el nivel máximo de temperatura a alcanzar, pero por el otro evitan incrementar los costos de una orientación mecanizada y los problemas prácticos y de salud al usuario, derivada de un ajuste manual. 2) Rango de operación de 100 a 150 grados centígrados: El rango de temperatura se encuentra entre las denominadas de temperatura media es decir mayor de 100 pero menor de 250 grados centígrados, para tener posibilidad de cocer alimentos que requieren de este rango. 3) Eficiencias de captación y del sistema: Se espera eficiencias razonables, en la captación y operación del colector con índices de perdidas generales intermedios, que propicien desempeños acordes al objetivo perseguido. 4) Factible de ser construido preferentemente con tecnología nacional. La tecnología y los materiales en su mayoría deben ser nacionales. La cocina indirecta cuenta con tres componentes uno de los cuales y quizá el mas importante es el colector, por lo que un buen diseño del mismo es fundamental. La InternaIional Energy Agency. Weiss ( 2005) ha publicado un resumen del estado del arte de los colectores solares de temperatura media, siendo los de mayor temperatura de operación aquellos con seguimiento y mayores niveles 2

3 de concentración. Dentro de la categoría de los estacionarios se reportan de dos tipos: colectores solares planos de doble cubierta de vidrio antireflejante con gas inerte entre ambos para minimizar las perdidas, con una eficiencia de operación de 0.8 dentro de su rango de 80 a 150 grados centígrados, con un costo en fábrica del orden de 1200 euros por 2.7 metros cuadrados de área de apertura; y los colectores solares con forma tipo CPC, con un desempeño similar a temperaturas de operación alrededor de los 100 grados centígrados, el absorbedor es cubierto por una superficie selectiva de baja emitancia,y el colector con una cubierta de vidrio plano y una película de teflón también transparente para minimizar la convección al interior del colector y un precio aproximado de 350 euros por metro cuadrado al consumidor. Al momento del reporte en mención estos colectores no han sido plenamente comercializados, pero aproxima una tendencia en el desarrollo de los mismos. Tabla 1.- Evaluación de tecnologías para colectores solares y temperaturas medias Estacionario Rango de Eficiencia Factibilidad operación Planos convencionales B M M B Planos con cubierta B B B M antireflejante CPC cubierta con tubo B B B M evacuado CPC cubierta con B B R B vidrio plano o tubo sin evacuar La tabla 1 muestra una evaluación de las tecnologías disponibles valoradas con cada criterio de diseño, con tres posibles valoraciones: B= Buena, R= Regular y M= Mala. Se puede observar que la de mayor puntuación es la tecnología de CPC con cubierta de vidrio plano convencional o tubo sin evacuar, con una eficiencia que en operación para cocinas solares son del orden del 50%, como reporta Oomen ( 2001)para operación con temperaturas medias, consideradas como razonable o regular, menor que las de alta eficiencia pero con mayor posibilidad de incorporar materiales y tecnología mexicana. Como resultado de lo anterior se selecciona la tecnología basada en el CPC, cuyos detalles pueden ser consultados en libros de texto de ingeniería solar como el Goswami (1999). El CPC es un concentrador del tipo de no-imagen, consistente en una superficie reflejante con forma de dos segmentos de parábola cuyos focos están localizados en el extremo opuesto de un receptor plano, como se aprecia en la figura 1, el ángulo de apertura máximo α está determinado por cualquier línea paralela al eje de un segmento de la parábola y el eje del CPC, este ángulo define la máxima concentración teórica, y el número de horas de operación del concentrador, a mayor ángulo α menor concentración máxima pero mayor número de horas con posibilidades de operación. 3

4 α φ-α M Figura 1. Esquema de un concentrador parabólico compuesto (CPC O Si se toma el punto O como origen de un sistema de coordenadas, las ecuaciones paramétricas siguientes permiten el trazo de la curva : 2 ( 1+ sinα) sin( φ α) d2 d2 x = 1 cosφ 2 d y = ( 1+ sinα) cos( φ α) 1 cosφ Donde d 2 es la distancia de apertura y el ángulo φ - α es el formado por el eje del CPC y un línea trazada del origen O y un punto cualquiera M. Esta forma de trazar las curvas considera un receptor plano, y el interés es relativo a un receptor redondo, por lo que para aumentar las posibilidades de que los rayos lleguen al receptor se utiliza una evolvente circular conocida también como copa de Trombe-Meinel, como se observa en la figura 2, las siguientes ecuaciones permiten trazar la curva: π x= Rcosθ + R θ + sinθ 2 π y = Rsinθ R θ + cosθ 2 Donde R representa el radio del tubo y el ángulo θ es el formado por el eje X y un punto cualquiera M del lugar geométrico 4

5 Y R O X M Figura 2. Evolvente del círculo. Ambas curvas CPC y evolvente circular se unen en el eje x, para completar el perfil de la superficie reflejante, como se muestra en la figura 3. En particular para el presente se utiliza un radio de 1 pulg. del tubo de referencia para el trazado de la evolvente, que nos arroja una distancia de apertura (d2) de 5.94 pulg. Se utiliza un ángulo de apertura α de 40 grados, que permite operar aproximadamente 5 horas si consideramos que el sol se desplaza a razón de 15 grados por hora, la concentración máxima teórica es de 1.56, sin embargo la altura del CPC alcanza una altura de 9 pulg, y para disminuir la cantidad de material de la superficie reflejante se analizaron los datos para estimar en que punto disminuye el crecimiento de la razón de concentración, es decir el incremento en el eje X, el resultado del análisis arroja un truncamiento a una altura de 4pulg, con una razón de concentración de 1.4, que permite un ahorro importante de material reflejante. En la primera aproximación se considero un receptor de 2pulg de cobre, que sirve de punto de partida para el trazado de las curvas, para después en el interior depositar un tubo de ½ pulg que contendría el fluido de trabajo, sin embargo dos razones motivaron cambios: el alto costo de la tubería de cobre de 2 pulg; y la necesidad de poner distancia entre la superficie reflejante y el receptor para no tener perdidas por conducción y aminorar las perdidas por radiación debido a que el recubrimiento del receptor no es de muy baja emitancia, por la dificultad de conseguir superficies selectivas o recubrimientos de baja emitancia. Para evitar lo anterior Collares ( 2003) propone el uso de una tubería de cobre de media pulgada con una V invertida., en este caso la opción adoptada es un tubo de ½ pulg en el origen O con aletas cuya longitud la determina, un trazo imaginario del tubo de 2 pulg, para minimizar los rayos de luz perdidos. 5

6 Figura 3. CPC ajustado, truncado para un receptor con aletas. El colector completo consta de una superficie reflejante de aluminio anodizado especular de alta reflectancia, con una cubierta de vidrio plano comercial de tres milímetros de grosor, con alta transmitancia, la cubierta del colector es pintura negro mate con alta absortancia, el colector es embalado en dos o tres piezas como se muestra en la figura 4, aislando la superficie reflejante con lana de fibra de vidrio y embalado en una caja de madera tratada para resistir exteriores. Figura 4. Detalle de colector solar El siguiente componente de la cocina es el mecanismo de transferencia del calor útil. Para las estufas indirectas estacionarias se han propuesto estufas de vapor de agua, como el reportado por Oomen, cuyos resultados al comparase con estufas directas no son alentadoras si se toma como referencia el tiempo de cocción. Otra tecnología reportada es la utilización del concepto de tubo de calor, que según Maldonado ( 2001), para aplicaciones de estufas solares es posible manufacturarlos de forma relativamente sencilla. En forma resumida un 6

7 tubo de calor para cocinas solares es un tubo de cobre sellado que previamente es evacuado para disminuir el punto de ebullición del fluido de trabajo, que en este caso es un porción pequeña de agua, como se observa en la figura en un extremo el colector evapora el agua, el cuál por diferencia de densidad sube al otro extremo del tubo, donde se transfiere el calor al mecanismo de cocción ( hornilla, olla o comal), esto causa una condensación y las partículas de agua regresa al evaporador por gravedad creando un ciclo cerrado de alta eficiencia, el tubo tiene un tramo intermedio, para crear una distancia entre el colector y la zona de cocción. El reporte de Collares indica temperaturas en aceite de alrededor de 170 grados para colectores solares con CPC de razones de concentración de 3. Finalmente, en la figura 5 se muestra el esquema del arreglo general del sistema propuesto. Condensador (Hornilla) Tuboa adiabático (Tubo de calor) Evaporador (Colector solar) Aislante térmico Base del colector Figura 5. Esquema general REFERENCIAS M. Collares, M. Carvahlo, J. Correía New low concentration CPC type collector with convection controlled with by a honeycomb TIM material : A compromise with stagnation temperature control and survival of cheap fabrication materials, ISES Solar World Congress, Swueden. Y. Goswami, F. Kreith, J. Freider Principles of solar engineering.- Taylor & Francis( pgs ) M. Maldonado, M. Collares, J. Farinha Primeros ensayos de 2 estufas solares con CPC - tubo de calor.- Energías Renovales y Medio Ambiente.- Vol. 9.- pags. 7 a 14 R. Oommen, S. Jarayaman Development and performance analysis of compound parabolic solar concentrator with reduced gap losses oversized reflectors.- Energy Conversion and Management.-Vol pags W. Weiss, M. Rommel Medium Temperature Collector.- State of the art within task 33/ IV.- Subtask C-International Energy Agency ( pags. 2-56) 7