Cocina solar parabólica

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Hora


W/m^2




Temperatura





INGENIERÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES
Cocina solar parabólica


SEMINARIO DE ENERGÍAS RENOVABLES
02/06/2016


Proyecto de construcción de una cocina solar parabólica con re-direccionamiento electrónico.



ÍNDICE
Tabla de contenido
Participantes del proyecto: 3
I. Introducción: 4
I.I Antecedentes 7
I.II Tipos de concentradores solares 9
II. Diseño de concentrador solar 12
II.I Adquisición de parábola prediseñada 12
II.II Cálculo del foco 13
II.III Materiales y equipo. 15
II.IV Digitalización del proyecto 17
III. Construcción 22
III.I La parábola 22
III.II La base 23
III.III Arduino 24
IV. Análisis de resultados. 25
IV.I Implementación del sistema. (Análisis en cocción de arroz) 28
V. Conclusiones 30
VI. Bibliografía 31






Cocina solar parabólica.

I. Introducción:
El consumo de energía está fuertemente ligado al ámbito económico, de lo cual podemos inferir que el aspecto energético está íntimamente unido con el desarrollo de una región. El desarrollo de una población, háblese de desarrollo tecnológico, educativo, cultural, económico, etcétera, está limitado al consumo de energía del mismo, esto quiere decir que las existencias de fuentes de energía capaces de ser aprovechadas pueden dar lugar a un proceso de generación de recursos tanto económicos como energéticos, y por tanto dar pauta al desarrollo de la población. Es decir, mientras exista energía en determinada región existe la posibilidad de desarrollo de la misma, esto es una proporción entre energía y desarrollo.
Sabemos además por parte de la Guía práctica de Energía Solar Térmica (2009) que:
Una tercera parte de la población no tiene acceso a fuentes de energía comerciales y que tres cuartas partes del total de energía es consumida por tan sólo un cuarto de la población mundial, esto es: Estados Unidos de América, Japón y la Unión Europea y En el año 2020 se espera que la población mundial haya aumentado en más de 2.000 millones de personas y se espera que el consumo mundial de energía se incremente un 50%. (p.12)
Es por ello tan importante crear alternativas energéticas que sean capaces de sustentar el consumo que se prevé. Entre estar alternativas energéticas se encuentran las energías renovables, de entre las cuáles a destacar es la energía solar térmica.
Tradicionalmente la energía solar, está asociada a la energía fotovoltaica, pues se sabe que es uno de los principales usos de la energía solar es ése. Sin embargo, existen además otros recursos que aprovechar aparte de la radiación solar. Por ello el enfoque será la energía solar térmica de la cual se hará uso tanto para diseñar como para construir un dispositivo energético de baja temperatura.
La energía es la capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. Se manifiesta de varias formas, entre ellas la energía mecánica, térmica, química, eléctrica, radiante o atómica.
Todas las formas de energía pueden convertirse en otras formas mediante los procesos adecuados. En el proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma total permanece constante. Todas las formas de energía tienden a transformarse en calor, que es la forma más degradada de la energía.
Los combustibles fósiles son mezclas de compuestos orgánicos que se extraen del subsuelo con el objetivo de producir energía por combustión. El combustible fósil puede utilizarse directamente, quemándose para producir calor y movimiento, en hornos, estufas, calderas y motores. También se puede usar para obtener electricidad en las centrales térmicas, en las que con el calor generado al quemar estos combustibles se obtiene vapor de agua, el que conducido a presión, es capaz de poner en funcionamiento un generador eléctrico.
Una fuente de energía alternativa es aquella que puede suplir a las energías o fuentes energéticas actuales. Es así que la energía térmica solar es una de las más aprovechables, pues el sol ofrece grandes cantidades de energía que no se usa y de esta manera se hace necesario investigar sobre la posibilidad de reemplazar la actual cocina de combustible fósil por una de energía solar.
El uso desmesurado de los combustibles fósiles y el incremento en el consumo de energía dentro del mundo ha provocado que en los últimos años la contaminación ambiental crezca de forma significativa. La principal fuente de contaminación en el planeta es generada por muchas de las actividades humanas; algunas de ellas son: el transporte, la elaboración de alimentos, las emisiones de los motores de combustión interna para muchos distintos procesos. Éstas son algunas de las mayores fuentes de contaminación para el medio ambiente.
El cremento en la opción del uso de energías renovables o energías alternativas se debe al fuerte problema que los hidrocarburos provocan, el alza en el uso de éstos, la contaminación y los problemas ambientales han generado el desarrollo de las llamadas "Energías limpias". Esto es, la búsqueda del aprovechamiento de los recursos naturales y la poca contaminación al medio ambiente. De ahí que la búsqueda y desarrollo sobre distintas formas de cocción de alimentos ha buscado omitir el uso de todo tipo de combustibles de tipo no-renovable, previniendo así principalmente la tala de árboles, evitando el uso de madera y gas. Gracias a ésto se han desarrollado nuevos dispositivos y materiales que concentran con mayor eficiencia la energía de los rayos del sol, logrando así cargas térmicas iguales a los dispositivos que utilizan algún tipo de leña o combustibles. (Müller, 1998).
Por ello, un concentrador solar debe de ser práctico, ligero y eficiente, de tal forma que ayude a reducir el uso del carbón y los combustibles fósiles en la cocción y preparación de alimentos, promoviendo así el cuidado y la conservación del medio ambiente.
De ahí que el objetivo es diseñar un concentrador solar portátil y funcional con un diseño térmico en forma de parábola para la cocción de alimentos evitando el uso de cualquier combustible orgánico, y que sea capaz dirigirse a través de un componente electrónico.








I.I Antecedentes

El progreso ha impulsado a que las técnicas e instrumentos empleados para la preparación de los alimentos conmuten y beneficien al sector alimentario. El origen de los primeros cocineros trasciende desde que el hombre fue capaz de manipular el fuego para cocinar sus alimentos.
Horace Saussure en el año de 1767 realizo los primeros experimentos con hornos solares tipo caja, logrando obtener una temperatura interna de 88°C y gracias a un aditamento que incorporo alcanzo una temperatura de 110°C, llego a ser considerado un visionario en su época sin saber que el aporte que había generado sería de gran importancia, ya que desde el siglo XX las técnicas de cocción se basaron en asar, cocer y freír.
En 1866 Auguste Mouchot diseño una estufa portátil para el ejército de Napoleón III que consistió en un recolector solar tipo parabólico.







Figura 1: Estufa tipo solar parabólicoFigura 1: Estufa tipo solar parabólico
Figura 1: Estufa tipo solar parabólico
Figura 1: Estufa tipo solar parabólico


Entre 1940 y 1970, la doctora María Telkes contribuyó en grandes aportes para diseños de hornos solares, impulsando así el trabajo de científicos en todo el mundo, su prototipo fue llamado Solar Cooker, formado por una caja con una puerta trasera para introducir o extraer los alimentos y en la parte superior de la caja tiene un reflector formado por espejos que atraen la energía solar y la transmiten a los alimentos.








Figura 1.3: María Telkes Solar CookerFigura 1.3: María Telkes Solar Cooker
Figura 1.3: María Telkes Solar Cooker
Figura 1.3: María Telkes Solar Cooker


En 1987 se creó Solar Box Cookers International, cuya organización no gubernamental se está ubicada Sacramento, California, Estados Unidos de América. Esta organización tiene como objetivo apoyar a familiar de escasos recursos económicos que habiten en áreas con abundante luz solar para implementar una forma de cocinar sin combustibles.
El Centro de Estudios de la Energía Solar ubicada en Sevilla, España, considera que los hornos y las cocinas solares son dispositivos térmicos- solares que utilizan la energía radiactiva proveniente del sol para crear un ambiente térmico. La transformación de esta energía, trata de lograr temperaturas lo suficientemente altas y sostenidas para llevar a cabo la cocción de alimentos, pasterización, preparación de conservas, secado de productos naturales, entre otros.
I.II Tipos de concentradores solares

Los concentradores solares son dispositivos capaces de captar la radiación y transmitirla a un fluido o a un recipiente con el propósito de aprovechar la energía acumulada. Existen dos tipos de concentradores solares, estos son los de acumulación y los de concentración.
Los concentradores solares de acumulación son dispositivos que no superan los 70°C, por lo que son empleados regularmente en la producción de agua caliente.
Los concentradores solares de placa plana actúan como un receptor, almacenando la energía procedente del sol y la transfiere hacia una placa en forma de calor, del mismo modo la puede transferir a un fluido. Usualmente estos colectores poseen una cubierta de vidrio o plástico que aprovecha el efecto invernadero, formado por una serie de tubos de cobre los cuales expuestos al sol absorben la radiación solar y se la transmiten al fluido que atraviesa en su interior.





Figura 1.4: Concentrador Solar de Placa Plana Figura 1.4: Concentrador Solar de Placa Plana
Figura 1.4: Concentrador Solar de Placa Plana
Figura 1.4: Concentrador Solar de Placa Plana



Figura 1.4: Estufa tipo solar placa planaFigura 1.4: Estufa tipo solar placa plana
Figura 1.4: Estufa tipo solar placa plana
Figura 1.4: Estufa tipo solar placa plana

Los concentradores solares cónicos o esféricos constituyen simultáneamente la unidad de captación y de almacenamiento. Su superficie de captación es cónica o esférica con una cubierta de vidrio de la misma geometría, es empleado frecuentemente en la calefacción, debido a que su superficie de captación es pequeña.
Figura 1.5: Concentrador solar esféricoFigura 1.5: Concentrador solar esférico
Figura 1.5: Concentrador solar esférico
Figura 1.5: Concentrador solar esférico

El concentrador solar cilíndrico se diferencia con respecto a los otros ya que su superficie colectora es la mitad de un cilindro, teniendo como principal aplicación la producción de vapor. Debido a la concavidad de su geometría, en el foco se coloca un conducto por donde pasa un fluido como aceite o salmuera. Dependiendo de la longitud de exposición, el área de captación solar y la irradiación, el líquido se calienta por encima del punto de ebullición, llegando alrededor de 300. Una vez caliente, el fluido pasa a una caldera donde calienta agua y la convierte en vapor, como se muestra en la figura. La energía contenida en el vapor puede ser utilizada para generar electricidad si se pasa a través de una turbina la cual pone en funcionamiento a un generador.
Figura 1.6: Concentrador solar cilíndricoFigura 1.6: Concentrador solar cilíndrico
Figura 1.6: Concentrador solar cilíndrico
Figura 1.6: Concentrador solar cilíndrico

Los concentradores solares parabólicos dirigen los rayos solares en un punto mediante procedimientos ópticos, antes de su transformación en calor. Así cualquier radiación solar que entra a un colector concentrador es reflejada, refractada o absorbida por una superficie menor. La ventaja de este tipo de dispositivos es la reducción de pérdidas térmicas en el receptor, pues al ser este de menor superficie habrá menos área para radiación de calor y por lo tanto el líquido que circula por el receptor puede calentarse a mayor temperatura con un rendimiento razonable y a bajo costo.



Figura 1.7: Concentrador parabólicoFigura 1.7: Concentrador parabólico
Figura 1.7: Concentrador parabólico
Figura 1.7: Concentrador parabólico




II. Diseño de concentrador solar

Según las distintas posibilidades de construir diferentes tipos de concentradores solares y en busca del más práctico y económico se optó por escoger el concentrador solar del tipo parabólico de foco expuesto para este proyecto.
La elección del concentrador solar tipo parabólico se hizo a partir de mediciones no cuantificables, como lo son la factibilidad de adquirir ciertas piezas y la practicidad que tendría este en función de las necesidades del proyecto. Para ello fue necesaria una proyección del concentrador en costos y en practicidad.
II.I Adquisición de parábola prediseñada

Una de las piezas más importantes para el diseño de una cocina solar del tipo parabólica sin duda es la parábola misma, pues ahí es donde se lleva a cabo el proceso de reflexión de luz. Por ello fue tan importante tener en cuenta que la parábola al ser la pieza más importante dentro de la cocina solar, se decidió que no podía ser elaborada por los integrantes del equipo, ya que el mínimo fallo en el diseño sería fatal a la hora de redirigir los rayos solares, para ello se recurrió a adquirir una antena de la marca "Sky" para el proyecto.




Figura 1.8: Antena parabólica marca SkyFigura 1.8: Antena parabólica marca Sky
Figura 1.8: Antena parabólica marca Sky
Figura 1.8: Antena parabólica marca Sky
II.II Cálculo del foco
Un concentrador solar, cómo su nombre lo indica, es un dispositivo que concentra la energía del sol en un punto. Ese punto es denominado por principios geométricos como foco. Es pues en el foco dónde los rayos solares se concentran.
Para poder visualizar este fenómeno es necesario convertir los rayos solares en vectores, para poder así seguir el sentido que toman, la dirección a la que se dirigen y la manera en que se comportan.
En la siguiente figura se puede observar cómo se comportan los rayos solares en un reflector de forma parabólica.






Figura 1.9: Incidencia de los rayos solares en una figura parabólica.Figura 1.9: Incidencia de los rayos solares en una figura parabólica.
Figura 1.9: Incidencia de los rayos solares en una figura parabólica.
Figura 1.9: Incidencia de los rayos solares en una figura parabólica.


Cómo se puede observar, el foco es dónde los rayos solares se concentran y es ahí donde la incidencia del sol puede ser aprovechada.
Para poder saber dónde estaba el foco de nuestra antena, usamos la ecuación de la parábola:
x2=4P Y

En dónde la letra P es el foco.
Entonces:

x24y=P

Dónde X= es el radio, Y= La altura y P= el foco.
Dado que nuestra antena en el eje de las X medía 77 cm y de altura 8.5 cm, sustituyendo los valores necesarios tenemos que:

(772)24(8.5)=43.6

Entonces, el foco es de 43.6 cm, y será ahí dónde los rayos del sol se concentrarán si se refleja en la parábola.


II.III Materiales y equipo.

De acuerdo a las necesidades se elaboró una lista de los materiales necesarios y del equipo e instrumentación adecuada para la proyección de nuestro proyecto.
En la siguiente tabla se muestran los materiales necesarios para la construcción de la cocina solar del tipo parabólica.
Tabla 1.1: Materiales

Nombre
Características

Marca
Dimensiones
Composición
Antena parabólica offset receptora de televisión satelital
Sky
84 de largo, 77 de altura y 8 de profundidad
Película de polietileno con una capa de fibra de vidrio

1200 Espejos planos


2x2 cm
Una fina capa de metal pulido debajo de una capa de vidrio
Cuadrado de aluminio
Condumex
¾ in
Acero
Tornillo

5/32 de diámetro y 1 ¼ in de largo
Acero galvanizado
Escuadras

2 in y 1 in
Acero galvanizado
Tuerca

5/32 de diámetro y 1 ¼ in de largo
Acero galvanizado





















El equipo que se empleará en la construcción de la cocina solar se muestra en la tabla 2.1.
Tabla 2.1: Herramientas
Nombre
Tipo
Características
Taladro
Eléctrico
Estándar
Desarmador
Matraca
3 Puntas planas: 3/16" (4.7mm), 1/4" (6.3mm) y 9/32" (7.1mm)
7 Puntas Phillips: #1, #2 (5 piezas) y #3
3 Puntas Torx: T15, T20 y T25

Segueta
Sierra de arco
Mecánica
Llave
Inglesa
Ajustable
Cinta métrica
Acero
3 m

La elección del equipo con la que se propone trabajar se encuentra en la tabla 3.1, resaltando el uso el software Arduino Cloud, ya que servirá para codificación del sistema de rotación del concentrador solar.

Tabla 3.1: Equipo
Nombre
Características
Modelo
Computadora
Portátil
Dell Inspirion
Software
Arduino Cloud
2009



Software
Autodesk Inventor
2012
II.IV Digitalización del proyecto

Una vez teniendo el equipo necesario se visualizó la parábola a través del software Autodesk Inventor, para tener un mejor control tanto de calidad como de producción de la cocina. Se introdujeron los datos a la computadora y se digitalizaron cada uno de los componentes de la cocina. Para así aprovechar el máximo de recursos materiales y humanos.



III. Construcción

Una vez teniendo todos los materiales y la disposición adecuada para empezar a trabajar se comenzó a trabajar de manera ordenada, para ello se acordó trabajar la cocina por partes de tal manera que al final se fuesen ensamblando las partes.

III.I La parábola

Lo primero que se realizó fue la pega de los espejos a la parábola, para el trabajo se utilizaron espejos de 2x2 cm y superglue.
Los espejos se pegaron cuidando que no quedaran vacíos entre unos y otros, empezando desde el centro para poder tener una guía adecuada con respecto a los demás.
Figura 3.1: Pegado de cristalesFigura 3.1: Pegado de cristales
Figura 3.1: Pegado de cristales
Figura 3.1: Pegado de cristales

Figura 3.2: Pegado de cristalesFigura 3.2: Pegado de cristales
Figura 3.2: Pegado de cristales
Figura 3.2: Pegado de cristales

III.II La base

Para la base, se usó el modelo prefabricado en el software Autodesk Inventor. Se consiguieron los tubulares necesarios y se soldaron de tal manera que permitiera soportar el peso de la parábola.
Figura 3.3: Armado de la baseFigura 3.3: Armado de la base
Figura 3.3: Armado de la base
Figura 3.3: Armado de la base

III.III Arduino

La implementación que se hizo al diseño fue agregarle un motor electrónico, que redirigirá a la parábola cada cierto tiempo, para así evitar la excesiva exposición al sol.
Para ello se utilizó el software Arduino Cloud, y se utilizó un componente electrónico del mismo nombre (Arduino) y un servomotor.
El sistema es sencillo: el Arduino manda señales eléctricas programadas para que el motor rote cierta cantidad de grados cada cierto tiempo. Se anexa el código de programación.








IV. Análisis de resultados.

Una vez construida la cocina solar se llevaron a cabo pruebas de temperatura y radiación, para ello se utilizaron diferentes sistemas de medición. Además, se hizo se aplicaron parámetros de tiempo, esto es, medir cada diez minutos la radiación que le llega a la parábola, la temperatura ambiente, la temperatura de los cristales y la temperatura que hay en el foco. Se dimensionó a una escala de aprovechamiento del solo que parte de las 11:00 h a las 16:00 h.
A continuación, las gráficas de la radiación y la temperatura del ambiente, de la cocina y del foco, correspondiente del día lunes 30 de mayo del 2016, con lugar en Tuxtla Gutiérrez.
1.1) Gráfica de radiación incidente.


Es importante denotar los picos en declive, esto se debe a que en esos momentos el sol se encontraba nublado.

1.2) Gráfica de la temperatura en grados Celsius.
Dónde:
T.A= Temperatura ambiente
T.P= Temperatura de la parábola
T.F= Temperatura del foco


Aquí también se pueden observar los picos de baja temperatura que se experimentaron debido a la interrupción de radiación.

1.3) Tabla con resultados y mediciones correspondientes a las gráficas 1.1 y 1.2.
Hora
Ambiente
Cristales
Foco
W/m^2
11:00
30°
33°
35°
1128
11:10
30°
38°
83°
1119
11:20
30°
40°
129°
1121
11:30
30°
40°
194°
1188
11:40
30°
40°
167°
1198
11:50
30°
40°
195°
1247
12:00
30°
51°
248°
1342
12:10
30°
43°
163°
1348
12:20
30°
50°
165°
1350
12:30
30°
56°
236°
1359
12:40
30°
63°
319°
1323
12:50
30°
40°
244°
1243
13:00
30°
43°
162°
320
13:10
30°
38°
85°
235
13:20
30°
37°
43°
198
13:30
33°
46°
180°
1147
13:40
34°
47°
172°
1235
13:50
34°
44°
82°
224
14:00
34°
35°
56°
146
14:10
34°
40°
130°
1131
14:20
34°
42°
180°
1156
14:30
33°
40°
170°
1130
14:40
33°
39°
187°
1145
14:50
32°
43°
154°
1134
15:00
31°
40°
148°
1129
15:10
30°
41°
155°
1126
15:20
31°
43°
146°
1068
15:30
31°
45°
151°
1139
15:40
30°
41°
147°
1129
15:50
30°
42°
138°
1073
16:00
29°
38°
77°
296


IV.I Implementación del sistema. (Análisis en cocción de arroz)

Después de haber concretado las gráficas, se decidió llevar a cabo varias pruebas con sus respectivas mediciones, sin embargo, la que mejor se llevó a cabo fue la prueba de cocción de arroz. Para ello necesitábamos 1 litro de agua y 250 gr. de arroz, la cocción se llevó 1 hora con 20 minutos.
Figura 4.1: Arroz cocido en la cocina solar parabólicaFigura 4.1: Arroz cocido en la cocina solar parabólica
Figura 4.1: Arroz cocido en la cocina solar parabólica
Figura 4.1: Arroz cocido en la cocina solar parabólica
El análisis se llevó a cabo el día martes 31 de mayo del 2016, con localidad en Tuxtla Gutiérrez.
Tabla 2.1) Resultados obtenidos a través de las mediciones
Hora
Ambiente
Parábola
Foco(Olla)
Radiación W/m^2
11:28
32
56
48
1216
11:38
33
56
95
1220
11:48
33
57
174
1251
11:58
33
45
88
1183
12:08
33
49
103
1187
12:18
33
50
143
1193
12:28
34
60
166
1231
12:38
34
62
135
1204
12:48
34
46
150
1163

Gráfica 2.2)
Dónde:
T.A= Temperatura ambiente
T.P= Temperatura de la parábola
T.F= Temperatura del foco (es decir, la olla)


Podemos observar que hay pocos picos, ya que la cocción se llevó en menos tiempo y el sol estuvo mucho más despejado que el día anterior
Gráfica 2.3) Radiación incidente durante la cocción.

V. Conclusiones

Una vez habiendo investigado y teniendo en cuenta los diversos experimentos sobre el uso de la energía solar se puede ver que un concentrador es capaz de generar una cantidad de energía muy alta, debido a que la concentración se lleva a cabo de forma puntual, esto permite que la energía concentrada se reparta de forma uniforme sobre el recipiente en el cual se llevará a cabo la cocción. Además de que los materiales tienen mucha relación entre la energía incidente y emisora, por ello sabemos que la cocina elaborada podría tener mejor eficiencia con los materiales adecuados.
Además, aclarar la importancia que tiene la incidencia del sol, pues este dispositivo depende totalmente del sol y su radiación, esto es una ventaja, ya que el sol está al alcance de cualquier persona, y se puede aprovechar la mayor parte del tiempo, sin embargo existen (cómo nos dimos cuenta) picos de irregularidad que hacen aún más difícil la cocción de alimentos, pues no se pueden establecer parámetros claros en ese sentido, ya que es imposible predecir si habrá nubes que interfieran con la cocción.
Pero a pesar de la incertidumbre que puede ocasionar si habrá la suficiente radiación como para cocer los alimentos, es súper importante señalar que no importa el tiempo que se tarde la cocción de alimentos, pues se hace totalmente con el recurso natural, sin contaminantes y esto es el propósito de nuestro proyecto; más allá de construir el mejor concentrador solar, fue hacer una contribución a la conservación del planeta tierra y comprender la riqueza que puede aportarnos la naturaleza.



VI. Bibliografía

1.) Agencia Valenciana de la Energía. Guía práctica de Energía Solar Térmica. AVEN. 2009
2.) María José Nina, David valencia. Energía alternativa. Seminario de Procesos Productivos. 2007.
3.) Christoph Müller. Solar community bakeries on the Argentinean Altiplano. International Solar Food Processing Conference. 2009.
4.) C.H. Lehmann. Geometría analítica. 1993.
5.) John A. Duffie & William A. Beckman. Solar Engineering of Thermal Processes. Solar Energy Laboratory University of Wisconsin-Madison. 2013.




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