Ceuta energiasolar
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Este libro está dirigido a quienes quieren aprovechar la energía solar utilizandoartefactos de fácil construcción. Contiene modelos sencillos que podrás realizar solo oasociándote con otros, generando iniciativas ambientalmente responsables, teniendo
como norte los conceptos de las tecnologías apropiadas.
En estas páginas encontrarás los elementos necesarios para construir cocinas, ycalentadores de agua solares para tu hogar. Esperamos que puedas disfrutarlos para
tu bien y el de los demás, siendo más autónomo, consumiendo menos energíacontaminante y por ende siendo parte de los que buscan la solución a los problemas
energéticos y ambientales.
El autor
TECNOLOGÍAS APROPIADAS
La tecnología tiene como finalidad ayudarnos a resolver problemas. Pero los problemasno son iguales en todos lados, los recursos de que se dispone para desarrollar latecnología no se parecen y las formas de hacer las cosas son distintas según lasculturas. Las tecnologías apropiadas reconocen esta diversidad y por eso sondesarrolladas desde las comunidades y no desde laboratorios centralizados; no tienendueño pero si herederos.
Las tecnologías apropiadas reconocen que la tecnología no es neutra. Que es causa yconsecuencia de una cierta cultura y por lo tanto debe haber tantas maneras deencontrar soluciones a un problema, como culturas haya. Dan cuenta de un mundodiverso porque reconocen la diferencia entre los ecosistemas, los pueblos y sushistorias. Surgen de la necesidad de la auto-determinación, del reconocimiento de laexistencia de modelos de desarrollo diversos, de una economía dirigida por los recursosy valores disponibles en el ambiente propio y no por la demanda externa. Su desarrolloalimenta las identidades locales y el intercambio intercultural desde el respeto.
Las tecnologías de las que hablamos son apropiadas al ambiente, apropiadas para latarea y apropiadas por la gente. Para ser apropiadas al ambiente tienen que utilizarrecursos renovables y no sobrepasar la capacidad de carga de los ecosistemas en losque se insertan. Para ser apropiadas para la tarea tienen que dar respuesta al problema–productivo o doméstico– de que se trate de manera eficaz, eficiente y generandoriqueza. Finalmente, para ser apropiadas por la gente, tienen que ser de bajo costo, defácil manejo y mantenimiento, de sencilla comprensión y reproducibles a escala local.
Las tecnologías apropiadas son adecuadas a la realidad de los países en vías dedesarrollo en tanto requieren de menor inversión de capital y mayor dedicación demano de obra. No buscan ser de última generación porque apuestan a que nuestrageneración no sea la última. Por eso dialogan y trabajan junto con los conocimientostradicionales, los saberes populares y tienen horizontes de amortización de largo plazo.Por eso problematizan y dialogan con el uso socialmente apropiado de las nuevastecnologías poniéndolas a prueba en su capacidad de ser adaptables y accesiblespara el uso de las mayorías.
Las tecnologías apropiadas son tecnologías para la vida, no para la acumulación, nopara la concentración, no para la dominación.
CEUTA – Centro Uruguayo de Tecnologías Apropiadas
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Energía solar
La serie Tecnologías Apropiadas de CEUTA incluye:Nº 1 Saneamiento Ecológico: Reconstruyendo el ciclo de la vida.Nº 2 Cría familiar de aves: Instalaciones y equipos para un manejo ecológico.Nº 3 Biofertilizantes: Nutriendo cultivos sanos.Nº 4 Energía Solar: Autoconstrucción de cocinas y calentadores de agua.
CEUTA - Centro Uruguayo de Tecnologías ApropiadasSantiago de Chile 1183 CP 11200 Montevideo UruguayTel. (5982) 902 8554 Fax. (5982) 902 4547C. Elect. [email protected] (Programa de Energía)Sitio web: http://www.ceuta.org.uy
ISBN: 978-9974-7844-5-1Queda permitida la reproducción total o parcial citando la fuente.
Se terminó de imprimir en los talleres de Artes Gráficas S.A.Porongos 3035, Montevideo - UruguayEn febrero de 2008 - Deposito Legal 344.489/2008
Autor: Juan José Oña
Revisión y edición: Gerardo Honty
Corrección: Virginia Matos y Zyro Honty
lustración de tapa: Sofía Oña
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Autoconstrucción de cocinas y calentadores de agua
Agradecimientos
Al Ing. Quím. e inventor César Martínez Yaquelo, por sus invalorables aportes para eldesarrollo de nuestro trabajo.
A los "tecnólogos apropiados" y emprendedores en tecnologías apropiadas que haninvestigado y desarrollado con nosotros los modelos de esta cartilla: José Correa,Washington Flores, Carlos Castillos y los jóvenes de la Cooperativa "Brum Solar" delLATA del liceo de Baltasar Brum entre tantos.
A los responsables y educadores de los LATAs (Laboratorios de TecnologíasApropiadas) donde se desarrollaron y construyeron: Mónica Sosa, José Luis Bequio yNancy Elliot, del Liceo de Baltasar Brum; Wanderley Pradela y el Ing Agr. Héctor Gentadel CAIF Las Almendras de Bella Unión; Lilián Alfie y las maestras y personal de serviciode la escuela cooperativa Vicman; y Lilián Garibaldi y educadores del horario matutinodel colegio José Pedro Poveda.
A las decenas de emprendedores, inventores y entusiastas que han protagonizado losEncuentros Nacionales de Energía Solar.
Tercer Encuentro Nacional de Energía Solar. Guichón, Paysandú. 2007
ÍNDICE
¿CÓMO ENCHUFARNOS A UNA ESTRELLA?............................................................... 7
LA COCINA SOLAR ......................................................................................................... 17
CONSTRUCCIÓN DE LAS COCINAS SOLARES ........................................................... 26
Horno solar con caja de cartón ............................................................................ 26
Cocina solar de paneles plegables ..................................................................... 28
Horno solar de caja de madera............................................................................. 29
OLLA BRUJA: El apoyo que nos brinda la retención del calor ................................ 34
COLECTORES SOLARES ................................................................................................ 37
CONSTRUCCIÓN DE COLECTORES SOLARES ........................................................... 43
Colector estático de botellas ................................................................................ 43
Colector dinámico de botellas .............................................................................. 44
Otros colectores dinámicos .................................................................................. 47
Colector “CESMART 2” ........................................................................................... 49
BIBLIOGRAFÍA Y SITIOS WEB DE INTERÉS................................................................. 58
¿CÓMO“ENCHUFARNOS”A UNA ESTRELLA?
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Energía solar
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Autoconstrucción de cocinas y calentadores de agua
La dimensión del Sol
Si queremos llegar a ser una civilización sabia y eficiente, una de las claves está en idearformas de atrapar la energía de nuestra estrella y ponerla a nuestro servicio. Un primer pasoes saber cómo funciona, entender cómo este astro es capaz de emitir grandes cantidades deenergía al espacio.
Los astrónomos nos dicen que es una estrella de mediana edad, que tiene aproximadamente5.000 millones de años, y que le queda por vivir otro tanto.
En el Universo existen millones de estrellas como nuestro Sol. Sin embargo, éstas se localizana años luz de nuestro planeta y por esta razón nos va a resultar muy difícil obtener energía deesos débiles puntos luminosos.
El Sol se encuentra a una distancia menor: 149.450.000 Km. pero igual está lejos. Esto secomprende claramente cuando calculamos cuánto tarda en llegar su energía a la Tierra y nosdamos cuenta de que la imagen del Sol que miramos nos llega unos ocho minutos atrasada.
El astro rey tiene un diámetro de aproximadamente 1.392.000 Km. (107 veces más grande quela Tierra.). Reduciendo esto a una escala que podamos visualizar compararemos al Sol conuna pelota de 1,3 m. y a la Tierra con una bolita de 1,2 cm separados 149 metros uno del otro.
C u a n d o p e n s a m o s e n s u m a s a d e 2 X 1 0 3 0 K g . l a c i f r a d e2.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Kg. nos resulta muy difícil de imaginar yaque estamos acostumbrados a las masas de los objetos terrestres.
El Sol en la Tierra
Como vemos, este astro, así como sus pares que se diseminan entre millones degalaxias, son cuerpos celestes gaseosos de grandes dimensiones. Ptolomeo (un célebreastrónomo greco-egipcio nacido en el sigo II A.C) lo calificó como una gran bola defuego. Actualmente se lo compara con una enorme y descomunal central energética.
En su interior se encuentra el núcleo, formado por gases que están a presiones y temperaturasgigantescas (millones de grados). Allí se produce la energía que fluye hacia el exterior,disminuyendo hasta llegar a unos 6000 ºC en la superficie solar.Mediante un proceso termonuclear de fusión, en cada segundo nuestro sol convierte
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Energía solar
millones de toneladas de hidrógeno en helio, lo cual provoca que millones de toneladasde materia se trasformen en energía. Este proceso termonuclear es la fuente de vida detodas las estrellas del Universo.
La Tierra capta una fracción muy pequeña de la radiación emitida en todas direccionespor esta enorme central nuclear, energía que se propaga a través del vacío del espacio enforma de radiación electromagnética.
Los científicos midieron la cantidad de energía que llega a la capa más externa de laatmósfera: 1353 vatios por metro cuadrado. A este valor se le llama Constante Solar.
La radiación llega hasta el planeta en varias formas: ondas de radio, microondas, infrarroja,luz visible, ultravioleta, rayos X, etc. Estas ondas son parte del espectro electromagnéticodel sol. La mayor parte de la radiación solar que llega a la Tierra, un 90% aproximadamente,está constituida por rayos infrarrojos y luz visible.
La radiación infrarroja es absorbida por determinados gases que de esta formaincrementan su agitación molecular general, calentando la atmósfera. Estos gases sonlos responsables del efecto invernadero. Dicho fenómeno evita que la energía del Solrecibida por la Tierra vuelva totalmente al espacio, produciendo a escala planetaria unefecto similar al observado en un invernadero. Es decir, que los gases retienen partede la energía recibida, lo cual es imprescindible para hacer posible la vida en la tierra.
En la aplicación de la energía solar térmica, se aprovecha el “efecto invernadero”como un aliado para generar eficientes “trampas de calor”
Cuantificando la radiación solar
La mayor o menor transparencia de la atmósfera depende principalmente del grado dehumedad. También influye la presión, la altitud del lugar y la contaminación que hubiere.
Estas variaciones de la radiación disponible, producto de los fenómenos de reflexión,absorción, y difusión que disminuyen la intensidad final, van a influir en el rendimiento delos sistemas que diseñemos.
Un 47% de la radiación solar que absorbe la atmósfera llega a la superficie terrestre; un31% directamente y un 16% indirectamente. A esta última se la denomina radiación difusa.El total de la radiación procedente directamente del Sol se refleja y se dispersa por la presenciade las nubes, el vapor de agua, el polvo en suspensión, etc.
Radiación directa es la que llega sin interactuar con nada y sin cambio de dirección. Es la másimportante en un día soleado.
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Autoconstrucción de cocinas y calentadores de agua
Radiación difusa: es producto de los choques de la radiación directa con las partículasy los componentes atmosféricos. Es la radiación típica de los días nublados. Esoriginada por los efectos de dispersión de los componentes de la atmósfera, incluidaslas nubes.
Radiación reflejada (también llamada del albedo): es la que llega procedente de la reflexiónde la radiación directa en los elementos del entorno; por ejemplo: en el mar, en la nieve,en los techos.
La cantidad total de radiación solar (directa y reflejada) que se recibe en un puntodeterminado del planeta, sobre una superficie de 1m2, para un determinado ángulode inclinación entre la superficie colectora y la horizontal del lugar, recibe el nombrede insolación.
El término deriva de la palabra inglesa insolation, la que, a su vez deriva de la combinaciónde otras tres palabras del mismo idioma: incident solar radiation (radiación solar incidente).
El valor de la insolación en un lugar dado debe reflejar el valor promedio de la misma.Para obtenerlo, se necesita tener en cuenta las variaciones producidas por las estaciones(no es lo mismo la radiación del verano que la del invierno), realizando mediciones de laradiación solar diaria durante 10 o más años.
Se usan diferentes unidades para expresar el valor de la insolación de un lugar. La másconveniente para nuestra aplicación es el kilovatio hora por metro cuadrado (kWh/m2),
Si la superficie colectora mantiene un ángulo de inclinación fijo, el valor de la insolaciónen un lugar dado depende de las condiciones atmosféricas y de la posición del sol respectodel horizonte.
La presencia de nubes incrementa la absorción, reflexión y dispersión de la radiaciónsolar. Dada la carencia de nubes, las zonas desérticas tienen los mayores valores deinsolación en el planeta.
La posición del sol respecto a la horizontal cambia durante el día y con las estaciones. Elvalor de la insolación es menor al amanecer que al atardecer, así como en el invierno, esmenor que en el verano.
El efecto de la radiación solar en los materiales de la Tierra
Recuerdo al lector que estamos analizando el “comportamiento” del sol para ver comocapitalizar su energía en nuestros aparatos.
Las plantas son los seres vivos más antiguos y evolucionados en su relación con el sol.Absorben su energía directamente para transformar la materia inorgánica de su medioexterno en materia orgánica que utilizarán para su crecimiento y desarrollo.
Por su parte, los herbívoros absorben indirectamente una pequeña cantidad de esta energíacomiendo las plantas y los carnívoros absorben una cantidad más pequeña aún comiendoa los herbívoros.
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Energía solar
Las plantas se valen de una sustancia coloreada, un pigmento: la clorofila, para absorberenergía de la luz y comenzar el proceso de la fotosíntesis.
Cuando un rayo de luz incide sobre un objeto pueden ocurrir tres fenómenos: si lasuperficie es transparente éste la atraviesa; si fuera reflectora, la radiación es reflejadacon el mismo ángulo y dirección opuesta; y por último si el objeto es opaco puede absorberla radiación.
Desde el punto de vista de la Física, es muy difícil conseguir en la práctica que alguno delos tres fenómenos se produzca independientemente de los otros dos. Los tres se danjuntos y cada uno lo hace en un porcentaje diferente. Pero la suma de la radiación queatraviesa el material, más la que es reflejada, más la absorbida, siempre es igual a laradiación incidente.
Un vidrio se comporta en parte como la atmósfera: absorbe algo de la radiación infrarrojay ultravioleta y deja pasar la visible. Pero es opaco a la radiación infrarroja de onda largaproducto de los objetos que se calientan.
Como resultado de su actividad molecular, todos los cuerpos emiten calor en forma deenergía electromagnética. Esto ocurre incluso en cuerpos que están congelados.
Si calentamos un objeto metálico, cuando está a 10º C percibimos que tiene determinadatemperatura. Lo tocamos y decimos que esta frío. Si lo seguimos calentando, cuandollegue a 100º C nuestra piel ya podrá percibir su calor (radiación) a distancia.
Hasta aquí no notamos ninguna variante en su coloración. Pero, si seguimos calentandoel objeto, va a llegar un momento en el que vamos a ver que toma un color rojo. Es cuandoel metal ha llegado a 400º C y nuestro ojo puede captar esa radiación en forma de luz roja.Incluso la podemos ver en una habitación que esté a oscuras.
La radiación (el calor) que sentimos con nuestra piel pero que no vemos y que estapor debajo del rojo la llamamos infrarroja.
El efecto invernadero jugando a nuestro favor
Todos comprobamos el hecho de que un objeto negro expuesto al sol se calienta másque uno igual de cualquier otro color. Lo que ocurre es que el color superficial absorbe laluz solar visible y aumenta su actividad molecular, su energía y su emisión infrarroja.
Como vimos, un vidrio deja pasar la luz pero es “opaco” a la radiación infrarroja producidapor los objetos que se calientan. Esta cualidad del vidrio conocida como efecto diatérmicola podemos utilizar en todo tipo de “trampas de calor”.
Por ejemplo: si colocamos una bandeja negra en una caja y la tapamos con un vidrio paradejar que pase la luz del sol, la bandeja (que es nuestra superficie captadora de la energía)se irá calentando, y la radiación infrarroja que emite no podrá salir de la caja.
Esta sencilla trampa de calor es la base para el diseño de nuestras cocinas solares queutilicen la lógica de la acumulación que veremos más adelante.
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La noche el día y el clima
La Tierra rota del oeste hacia el este a una velocidad (dependiendo de la latitud) deunos 0,5 Km/s en torno a un eje virtual. Son unos 1570 Km/h en el ecuador (planoperpendicular al eje de rotación de la Tierra y que pasa por su centro dividiendo lasuperficie del planeta en dos partes, el Hemisferio Norte y el Hemisferio Sur) Esto lo hacecada 24 horas produciendo el día y la noche que varían también según la latitud. Viajaalrededor del sol a 30 Km/s y junto a él alrededor del centro de la galaxia a 300 Km/s.
El movimiento neto de la Tierra en el espacio ocurre a una velocidad de 400 Km/s y sesupone que junto al sol y su sistema planetario debe estar viajando hacia un punto delespacio situado en la constelación de Hércules a más de 60 Km/s.
La trayectoria que describe nuestro planeta alrededor del sol no es circular es una elipse;el sol se encuentra en uno de los dos centros de esta elipse, denominados focos.
En la foto, tomada en 1994 por la sonda lunar Clementine, se aprecia en primer plano laLuna iluminada por el reflejo de la Tierra, el sol asomando por detrás y a su izquierda,prácticamente alineados Saturno, Marte y Mercurio.
El movimiento de la Tierra y de la mayor parte de los planetas tiene lugar en un planollamado eclíptica.
Un hecho muy importante es que el eje de rotación de la Tierra no es perpendicular alplano de la eclíptica sino que forma un ángulo de unos 23º7’. Esta particular inclinación,siempre fija, nos provoca a los habitantes de este planeta la sensación relativa de que elsol cambia las alturas respecto del horizonte, esto pasa durante diversas épocas del año.
http://sse.jpl.nasa.gov/multimedia/display.cfm?IM_ID=1444
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Energía solar
Todos sabemos que cuando el sol pasa más altosobre el horizonte el clima es más caluroso y estamosen verano, mientras que en los momentos en que elsol pasa más bajo, las temperaturas son más frías ynos situamos en invierno.
Así que en definitiva, la inclinación del eje de la Tierraes responsable de los cambios de altura del sol sobreel horizonte, esto determina la cantidad de radiaciónque recibimos y por ende la sucesión de situacionesclimáticas que dan lugar a las estaciones.
Cabe acotar que la palabra clima viene como tantas otras del griego y significainclinación o pendiente.
La altura máxima que alcanzará el sol en el cielo en cualquier punto de la Tierradependerá de su latitud y de la época del año.
La latitud de un lugar es un valor que nos indica cuan lejos está ese lugar del ecuadory se mide desde 0º (cero grado) en el ecuador hasta + 90º en el Polo Norte y -90º en elPolo Sur.
Al momento en que el sol pasa por el punto mas alejado del ecuador celeste (proyeccióndel ecuador terrestre en el espacio) sobre la eclíptica se le llama solsticio de verano ynuestro hemisferio tiene en lugar alrededor del 21 de diciembre.
Tenemos el día más largo y la noche más corta del año, la declinación del sol se mantienedurante varios días casi sin moverse; de ahí el nombre de solsticio, que significa enlatín sol quieto.
De nuevo debido a la inclinación de la Tierra, durante los solsticios el sol cae en formaperpendicular en los trópicos. Allí el sol cae en un ángulo de 90º y como lo que restapara llegar al Ecuador son 23º7’ se suma esa cantidad mas la latitud del lugar (o seresta, según sea el solsticio en el mismo hemisferio o en el contrario).
¿Cómo calculo el ángulo que tiene el sol sobre el horizonte al mediodía en mi localidad?Vamos a ver algunas fórmulas. Para simplificar los cálculos vamos a redondear los gradosde latitud (sin considerar los minutos) y vamos a suponer que los días 21 son siempre lasfechas de equinoccios y solsticios. Por ejemplo para latitudes al sur del ecuador en fechasextremas como el inicio del verano (solsticio de verano) o la primavera u otoño (equinoccios)o el inicio del invierno (solsticio de invierno) tenemos las siguientes fórmulas:
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Autoconstrucción de cocinas y calentadores de agua
21 de junio solsticio de invierno en el sur.Sol en el punto = 90º - 23º- latitud dellugar.
21 de setiembre o marzo, equinoccio deprimavera u otoño.Sol en el punto = 90º - latitud del lugar.
21 de diciembre solsticio de verano ennuestro hemisferio.Sol en el punto = 90º + 23º- latitud dellugar .
Para Montevideo que está a una latitudde 34º Sur tenemos:
Para el 21 de junio 90º - 23º - 34º = 33º
21 de marzo 90º - 34º = 56º
21 de diciembre 90º + 23º - 34º = 79º
Otro dato que nos puede ser de mucha utilidad es que la distancia entre las salidas desol en el horizonte en los solsticios es de 47º en todas las latitudes (en el diagramaaparecen 46º por diferencias en el redondeo al quitarle los minutos).
Los aparatos que construyamos los vamos a tener que enfocar, ya que estamos en elhemisferio sur, hacia el norte.
Las cocinas solares de tipo caja no tienen por qué girarse; a no ser que estemos cocinandolegumbres, que tardan más de 5 horas.
Las cocinas de panel deben girarse de vez en cuando ya que los reflectores podríanhacer sombra al recipiente.
Las cocinas parabólicas son las más complicadas de enfocar, ya que deben ser giradascada 10-30 minutos (dependiendo de la lente).
Para los colectores conviene analizar las condiciones de iluminación del local donde seva a instalar el aparato, por ejemplo si queremos aprovechar la luz solar desde la mañanatenemos que orientar el aparato un poco hacia el noreste
Respecto a la inclinación, debemos orientarlo para que pueda recibir los rayos solareslo más perpendicularmente posible.
Debido a que es muy difícil y costoso hacer un sistema que enfoque el aparato vamosa tener que tomar un promedio de los ángulos correspondiente a la altura del sol en lasdiferentes estaciones.
Una buena inclinación para Montevideo es 55 º.
