DESARROLLO DE UNA COCINA SOLAR PARA ZONAS DE BAJA ...
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1 DESARROLLO DE UNA COCINA SOLAR PARA ZONAS DE BAJA ACCESIBILIDAD. Víctor Andrés Sánchez Castañeda 201424405 [email protected] UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTÁ D.C. 2020
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DESARROLLO DE UNA COCINA SOLAR PARA
ZONAS DE BAJA ACCESIBILIDAD.
Víctor Andrés Sánchez Castañeda
201424405
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
BOGOTÁ D.C.
2020
2
DESARROLLO DE UNA COCINA SOLAR PARA
ZONAS DE BAJA ACCESIBILIDAD.
Víctor Andrés Sánchez Castañeda
201424405
Trabajo para obtener el título de grado en ingeniería mecánica.
Asesor
Edgar Alejandro Marañón, PhD
Departamento de Ingeniería Mecánica
Universidad de los Andes
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
BOGOTÁ D.C.
2020
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A mi familia y amigos.
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CONTENIDO
Glosario
Resumen
Introducción
Nomenclatura
Objetivos
Marco teórico
Modelo matemático
Metodología
Resultados
Trabajo futuro
Conclusiones
Bibliografía
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LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1. Resultados de prototipos
Gráfico 2. Comportamiento del P1.
Gráfico 3. Temperatura del Prototipo #2.
Gráfico 4. Figura 8. Temperatura del Prototipo #3.
Gráfico 5. Inercia térmica del Prototipo #3.
Gráfico 6. Temperatura del Prototipo #4.
Gráfico 7. Temperatura del horno por simulación numérica.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama de la reflexión de la luz.
Figura 2. Diagrama de redirección de la luz en una parábola.
Figura 3. Diagrama de flujo de calor del sistema.
Figura 4. Esquema de trabajo.
Figura 5. Circuito usado para toma de datos.
Figura 6. Primeros prototipos.
Figura 7. Prototipo #2, KyotoBox
Figura 8. Prototipo #3.
Figura 9. Prototipo #4.
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LISTA DE ANEXOS
Anexo 1. Código para temperatura de los sensores en Arduino
Anexo 2. Código para temperatura de los sensores en Processing.
Anexo 3. Código modelo analítico de temperatura del colector MatLab.
Anexo 4. Código modelo analítico de temperatura de la olla/agua.
Anexo 5. Código modelo analítico de temperatura EES.
Anexo 6. Planos Prototipo #2.
Anexo 7. Prototipo #2, KyotoBox
Anexo 8. Plano Prototipo #4
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GLOSARIO
CALOR: Cantidad de energía térmica transferida entre dos cuerpos.
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA: propiedad de la materia que establece la capacidad
de conducir calor a través de sí misma.
IRRADIANCIA: magnitud que describe la cantidad de radiación electromagnética
que incide por unidad de superficie.
ABSORTIVIDAD: capacidad de una superficie de absorber una cantidad de luz.
EMISIVIDAD: cantidad de radiación térmica que es emitida por un objeto
dependiendo de su temperatura.
COLECTOR SOLAR: Equipo que permite redireccionar y absorber la radiación
incidente del Sol.
CALOR ESPECÍFICO: magnitud que mide la cantidad de calor necesaria para
elevar la temperatura de una sustancia, de una unidad de masa, en una unidad.
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RESUMEN
Este trabajo describe el proceso de diseño y construcción de una cocina solar a partir de insumos de fácil acceso. Este es el proyecto de grado para la obtención del título de ingeniero mecánico de la Universidad de los Andes. El proceso que se utilizó fue el de prototipado en papel, prueba y rediseño. De esta manera se pudo refinar un diseño base en busca de mejorar su desempeño bajo las condiciones climáticas de la ciudad de Bogotá, Colombia. Así mismo, plantea el modelo matemático bajo el cual se rige el comportamiento térmico de la cocina solar.
Cocina solar, colector solar, reflexión, radiación solar
10
INTRODUCCIÓN
Los óxidos de nitrógeno, compuestos principales del humo generado por la quema
de combustibles fósiles, son considerados como peligrosos. Estos gases son
denominados de efecto invernadero y pueden llegar a contaminar aguas y propiciar
lluvias ácidas. También son nocivos para la salud de las personas, ya que una
exposición moderada puede llegar a causar irritación en garganta, ojos y pulmones,
fatiga y tos. Si la persona se ve expuesta de una manera más intensa puede llegar
a generar quemaduras en las vías respiratorias y hasta la muerte por intoxicación. 1 2 3
Cuando se quema combustibles fósiles, como es el caso de la madera, se
generan estos gases con cierta concentración, además de otros gases, como
dioxinas y furanos. Estos dependen de la cantidad de oxígeno y nitrógeno en el
ambiente. Estas emisiones son prácticamente óxido de nitrógeno (NO) y dióxido de
nitrógeno (NO2). ²
En Colombia todavía existe una gran cantidad de personas que usan leña en la
cocina, entre zonas rurales y urbanas se estima que llega a ser un 13,6% de la
población colombiana. Esto se debe a que en no todas las zonas del país se puede
acceder al gas. Ya sea, por cuestiones económicas, o porque el acceso a estos
lugares lo vuelve muy complicado. Las personas que cocinan con leña se ven
expuestos al humo que produce, que en muchos casos se encuentran en lugares
cerrados o no tienen formas para extraer el humo. ¹
Esto supone un problema multidimensional. Por una parte, se trata de un
problema de salud pública, puesto que estas prácticas propician la aparición de
cáncer de pulmón, infecciones respiratorias agudas (IRA), enfermedades
pulmonares obstructivas crónicas (EPOC), entre otros. Esto causa millones de
bajas. Por otra parte, los riesgos asociados a la deforestación son inminentes. El
uso de leña para uso doméstico supone un problema, ya que no sólo se talan los
arboles con este fin, esto provoca cambios en la estabilidad de los suelos.
Debido a que la principal actividad doméstica del uso de leña es el de cocina, se
han planteado varias alternativas como fuentes energéticas. La más conocida es el
1 Ministerio de Ambiente y Desarrollo sostenible, “Lineamientos para un programa nacional de estufas eficientes para cocción con leña”,
Ministerio de Ambiente y Desarrollo sostenible, Bogotá, Colombia, 2015.
2 P. F. Díez, "XXXIII.- CONTROL Y ELIMINACIÓN DE LOS NOx," Escuela Universitaria de Ingeniería T. Industrial, Santander, España.
3 ATSDR, " ToxFAQs™ - Óxidos de nitrógeno (monóxido de nitrógeno, dióxido de nitrógeno, etc.) (Nitrogen Oxides)," ATSDR, 6 mayo 2016.
[Online]. Available: https://www.atsdr.cdc.gov/es/toxfaqs/es_tfacts175.html. [Accessed 1 noviembre 2019].
11
gas natural, sin embargo, a este solo se puede acceder en zonas urbanas. Las
estufas eléctricas también juegan un papel importante, sin embargo su consumo
energético es muy alto. También aparecen las vitrocerámicas, que usan una
resistencia eléctrica para calentar un vidrio, y las estufas por inducción, que usan
un imán potente para calentar la superficie metálica de unas ollas especiales.4
Con el auge de las energías limpias, nuevas formas de obtener calor han salido
a la luz. Una de ellas es la solar. En los últimos años se ha utilizado como fuente
energética en plantas termosolares y fotovoltaicas. Las plantas termosolares utilizan
la reflexión de la luz solar sobre espejos para redireccionar la luz a un solo foco. De
esta manera focalizan la energía del Sol en un solo punto, logrando calentar el agua
a altas temperaturas. Bajo este mismo principio nacen las cocinas solares. Usan
varias configuraciones de espejos para redireccionar el calor a un punto, en este
caso, una olla.
La implementación de estas cocinas no ha proliferado mucho. La falta de
investigación hace que las iniciativas no logren niveles de eficiencia deseados. Si
bien llegan a cocinar alimentos sin ningún riesgo, las temperaturas alcanzadas no
son muy altas, entre los 100 y los 200°C. Además los tiempos de cocción son
extensos, producto de las temperaturas que se manejan. Sin embargo, es capaz de
preparar cualquier tipo de alimentos, hasta hornear pan.
4 J. Sabaté, “Vitrocerámica o inducción, ¿Qué tipo de cocina me conviene?”, eldiario, 4 julio 2017. [Online]. Available:
https://www.eldiario.es/consumoclaro/ahorrar_mejor/Vitroceramica-versus-induccion-cocina-conviene_0_660034320.html. [Accessed 19 noviembre 2019].
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1. NOMENCLATURA
Q: Calor transferido por el material.
k: Conductividad térmica del material.
A: Área de transferencia.
𝑑𝑇
𝑑𝑥: Gradiente de temperatura a través del material.
Id: Irradiancia del Sol directa
Ir: Irradiancia reflejada
α_rf: Absortividad aluminio
α: Absortividad pintura negra
εrf: Emisividad aluminio
ε: Emisividad pintura negra
σ: Constante de Boltzman
At: Área total de la olla
Ad: Área de incidencia directa del sol en la olla
Ar: Área de incidencia de luz reflejada en la olla
Arf: Área del colector
Ai: Área interna de la olla
L: Espesor de la olla
mrf: Masa de los reflectores
mo: Masa de la olla
ma: Masa del agua
Crf: Calor específico de los reflectores
Co: Calor específico del aluminio
Ca: Calor específico del agua
k_o: Coeficiente de conductividad térmica del aluminio
Tamb: Temperatura ambiente
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Trf: Temperatura de los reflectores
To: Temperatura de la olla
Ta: Temperatura del agua
𝑄𝑟𝑓𝑎𝑏𝑠: Calor absorbido por los reflectores directamente del sol
𝑄𝑟𝑓𝑟𝑎𝑑: Calor entre los reflectores y el ambiente por radiación
𝑄𝑜𝑟𝑎𝑑: Calor entre los reflectores y la olla por radiación
𝑄𝑜𝑎𝑏𝑠: Calor absorbido por la olla directamente del sol
𝑄𝑜𝑎𝑏𝑠2: Calor absorbido por la olla por la luz reflejada
𝑄𝑎𝑐𝑜𝑛𝑑: Calor entre la olla y el agua por conducción
𝑄𝑎𝑟𝑎𝑑: Calor entre la olla y el agua por radiación
2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general
Construir un prototipo funcional de un horno solar que permita alcanzar
temperaturas por encima de 100°C, de bajo costo y fácil manufactura.
2.2 Objetivos específicos
a. Cuantificar el funcionamiento del sistema en términos de temperatura
y tiempo.
b. Identificar métodos de verificación del sistema.
c. Buscar e implementar posibles mejoras al sistema.
3. MARCO TEÓRICO
En el momento de hacer un colector solar se deben tener varios factores en
cuenta. Captar la energía del Sol se puede realizar por varios métodos, como lo son
la absorción óptica y la reflexión de luz. Estos dos fenómenos se complementan a
la hora de buscar el mayor aprovechamiento de la luz. Sin embargo, se puede hacer
14
uso de otras formas de recolección de energía, como el efecto invernadero y el uso
de almacenadores de calor.
El fenómeno de absorción define la captación de radiación por parte de la
materia. Cuando la radiación que se estudia es el espectro de luz, se habla de
absorción óptica. Cuando la materia deja pasar todo el rango, se le denomina
transparente. Por el contrario, cuando no dejan pasar se les denomina opacos. 5
Cuando se habla de transferencia de calor por radiación también se debe tener
en cuenta que este fenómeno se da cuando un cuerpo que está a una temperatura
T1 mayor a la temperatura T2 de otro cuerpo cercano. Esta transferencia de calor
se da sin que los cuerpos se toquen directamente el uno al otro. El intercambio
energético por radiación se da por la siguiente expresión:
𝑄 = A ∗ ε ∗ σ ∗ (T14 − T24) (1)
Donde Q: calor por radiación
ε: emisividad de la superficie
σ: constante de Boltzman
T1: temperatura del cuerpo caliente
T2: temperatura del cuerpo frío
6
La absorción óptica es un proceso por el cual la energía lumínica se transforma
en otro tipo de energía o se emite de vuelta cuando entra en contacto con la materia.
Esta absorción y reemisión de ondas produce que la materia tenga color, siendo el
blanco cuando se reemite todo el espectro, y el negro, cuando se absorbe todo. Por
lo general, cuando los rayos de luz inciden en un material la energía se vuelve calor.
Esto se da gracias a que los fotones le entregan su energía a las partículas de la
materia en la que inciden, generando un intercambio energético. ⁵
5 M. Bizarro, “Propiedades ópticas”. UNAM. [Online]. Available: http://www.iim.unam.mx/mbizarro/Propiedades%20opticas.pdf
[Accesed 20 febrero 2020].
6 G. J. Afshin y C. A. Yunus. “Transferencia de Calor y Masa”. 4ta Edición, McGraw-Hill, 2011.
15
La cantidad de calor absorbido por una superficie se puede calcular por medio
de la siguiente ecuación:
𝑄𝑎𝑏𝑠 = 𝐼 ∗ α ∗ 𝐴 (2)
Donde: Qabs: calor absorbido por la superficie
I: irradiancia
α: absortividad de la superficie
A: área de incidencia de la radiación
6
La cantidad de energía que se absorbe o se refleja depende de varios factores.
Por una parte están las propiedades térmicas de la material. La conductividad
térmica, por ejemplo, define la capacidad de un material de transportar el calor a
través de este. Por otra parte, el acabado superficial de la materia tiene una estrecha
relación con los fenómenos ópticos. Los materiales que tienen un acabado pulido
reflejan la luz mejor que uno con un acabado mate. Los materiales con una
superficie no pulida difunden la luz y absorben más energía. Siguiendo esta idea, la
superficie que más energía absorbe es la negra mate. Sin embargo, este tipo de
superficie también es la que más energía irradia. Esto supone un problema cuando
lo que se necesita es captar la mayor cantidad de energía sin que se pierda o disipe
parte de esta durante el proceso. 6
Los materiales transparentes o translucidos pueden ser opacos a ciertas
longitudes de onda. Por ejemplo, la atmósfera terrestre es transparente al espectro
de luz completo, pero cuando la radiación que refleja la Tierra incide sobre esta no
deja pasar gran parte de estas ondas. A este fenómeno se le conoce como el efecto
invernadero. Todo cuerpo emite radiación de forma proporcional a su temperatura,
esto quiere decir que a medida que la Tierra adquiera temperatura irradiará más
calor. Sin embargo, esta radiación no tiene la misma longitud de onda que la de la
luz solar, por eso rebota contra las nubes y se encapsula en la atmósfera,
aumentando la temperatura del planeta. Este fenómeno es importante cuando se
quiere aprovechar la energía del Sol para calentar un espacio. Esto permite que
toda la luz entre a un lugar y que una pequeña fracción se mantenga dentro del
recinto, de manera que las pérdidas por radiación se minimicen.
16
Por otra parte, a la hora de hacer un colector solar lo más importante es reorientar
los rayos de luz a un punto o foco. Por medio de la reflexión de luz los rayos del son
reorientados al punto de interés. La luz Es reflejada con mayor efectividad cuando
la superficie es lisa. Los rayos incidentes son reflejados con el mismo ángulo
(respecto a la normal de la superficie) con el que inciden en la superficie, como se
muestra en la Figura 1. 7
Figura 1. Diagrama de la reflexión de la luz. 8
La manera de redireccionar los rayos incidentes en una superficie de manera que
se dirijan al mismo punto es si esa superficie sigue una forma parabólica. En esta
superficie cualquier rayo paralelo al eje se refleja al foco. 9
7 Fisicalab. “Reflexión”. Fisicalab. [Online]. Available: https://www.fisicalab.com/apartado/reflexion-refraccion-luz [Accesed 20 febrero
2020].
8 ReaserchGate. “Figura 2”. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/figure/Figura-2-Efectos-de-la-Reflexion-Especular-y-
Difusa-Santander-Carral-2015_fig1_317415464 [Accessed 18 febrero 2020] .
9 TecnoDesarrollos. “Como diseñar un concentrador solar parte 1”. Tecnodesarrollos. Available:
https://www.youtube.com/watch?v=d2n428Wjc7k [Accessed 8 marzo 2020].
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Figura 2. Diagrama de redirección de la luz en una parábola. 10
Por otra parte, se debe tener en cuenta la transferencia de calor entre el punto
donde la luz se concentra y la comida se realiza por conducción. Este fenómeno se
rige por la ley de Fourier:
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = −𝑘𝐴𝑑𝑇
𝑑𝑥
(3)
Donde Q: calor transferido por el material.
k: conductividad térmica del material.
A: área de transferencia.
𝑑𝑇
𝑑𝑥: gradiente de temperatura a través del material.
6
Al estudiar el comportamiento térmico de un cuerpo se puede hacer un análisis
diferencial de manera que el la transferencia de calor depende únicamente de la
masa del cuerpo, su calor específico y el cambio en la temperatura de este. Este
análisis viene dado por la siguiente expresión:
10 Off camera flash. “Reflectores mola”. [Online] Available: http://off-camera-flash.com/blog/tag/mola/ [Accessed 8 marzo 2020].
18
𝑄 = 𝑚 ∗ 𝐶 ∗𝑑𝑇
𝑑𝑡
(4)
Donde Q: calor transferido
m: masa del cuerpo
C: calor específico
T: temperatura
T: tiempo
6
4. MODELO MATEMÁTICO
Figura 3. Diagrama de flujo de calor del sistema.
TABLA I
CONSTANTES Y UNIDADES
Símbolo Significado Unidades
Id irradiancia solar directa W/m²
Ir irradiancia reflejada W/m²
α𝑟𝑓 absortancia del papel aluminio -
α absortancia de pintura negra sobre metal -
ε𝑟𝑓 emisividad papel aluminio -
ε𝑟 emisividad pintura negra -
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Constante de Boltzman -
At área total de la olla m²
Ad área de incidencia del sol sobre la olla m²
Ar área de incidencia de la luz reflejada en la olla m²
Arf área de los reflectores m²
Ai área interna de la olla m²
L espesor de la olla m
mrf masa de los reflectores kg
mo masa de la olla kg
ma masa de agua kg
Crf calor específico de los reflectores kJ/kg K
Co calor específico del aluminio kJ/kg K
Ca calor específico del agua kJ/kg K
Tamb temperatura ambiente K
Unidades en Sistema Internacional: W=watts, m²=metros, cuadrados, m=metros, kg=kilogramos, kJ=kilojulios, K=Kelvin.
Para el modelo matemático se dividió el sistema en 3 parte: los reflectores, la olla y el agua. De esta manera se puede plantear un sistema de ecuaciones que depende de las temperaturas de los tres sistemas.
4.1 Ecuaciones para los reflectores
𝑄𝑟𝑓𝑎𝑏𝑠 = 𝐼𝑑 ∗ α𝑟𝑓 ∗ 𝐴𝑟𝑓
(5)
𝑄𝑟𝑓𝑟𝑎𝑑 = 𝐴𝑟𝑓 ∗ ε𝑟𝑓 ∗ σ ∗ (𝑇𝑟𝑓4 − 𝑇𝑎𝑚𝑏4) (6)
4.2 Ecuaciones para la olla
𝑄𝑜𝑎𝑏𝑠 = 𝐼𝑑 ∗ α ∗ 𝐴𝑑
(7)
𝑄𝑜𝑎𝑏𝑠2 = 𝐼𝑟 ∗ α ∗ 𝐴𝑟
(8)
20
𝑄𝑜𝑟𝑎𝑑 = 𝐴𝑟𝑓 ∗ ε𝑟𝑓 ∗ σ ∗ (𝑇𝑟𝑓4 − 𝑇𝑜4) (9)
4.3 Ecuaciones para el agua
𝑄𝑎𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑘𝑜 ∗ 𝐴𝑖 ∗𝑇𝑜 − 𝑇𝑎
𝐿
(10)
𝑄𝑎𝑟𝑎𝑑 = Ai ∗ εrf ∗ σ ∗ (To4 − Ta4) (11)
4.4 Sistema de ecuaciones diferenciales
𝑚𝑟𝑓 ∗ 𝐶𝑟𝑓 ∗ 𝑑𝑇𝑟𝑓𝑑𝑡 = 𝑄𝑟𝑎𝑏𝑠 − 𝑄𝑟𝑓𝑟𝑎𝑑 − 𝑄𝑜𝑟𝑎𝑑
(12)
𝑚𝑜 ∗ 𝐶𝑜 ∗ 𝑑𝑇𝑜𝑑𝑡 = 𝑄𝑜𝑎𝑏𝑠 + 𝑄𝑜𝑎𝑏𝑠2 + 𝑄𝑜𝑟𝑎𝑑 − 𝑄𝑎𝑐𝑜𝑛𝑑 − 𝑄𝑎𝑟𝑎𝑑
(13)
𝑚𝑎 ∗ 𝐶𝑎 ∗ 𝑑𝑇𝑎𝑑𝑡 = 𝑄𝑎𝑐𝑜𝑛𝑑 + 𝑄𝑎𝑟𝑎𝑑
(14)
𝑑𝑇𝑟𝑓𝑑𝑡 =𝑄𝑟𝑎𝑏𝑠 − 𝑄𝑟𝑓𝑟𝑎𝑑 − 𝑄𝑜𝑟𝑎𝑑
𝑚𝑟𝑓 ∗ 𝐶𝑟𝑓
(15)
𝑑𝑇𝑜𝑑𝑡 =𝑄𝑜𝑎𝑏𝑠 + 𝑄𝑜𝑎𝑏𝑠2 + 𝑄𝑜𝑟𝑎𝑑 − 𝑄𝑎𝑐𝑜𝑛𝑑 − 𝑄𝑎𝑟𝑎𝑑
𝑚𝑜 ∗ 𝐶𝑜
(16)
𝑑𝑇𝑎𝑑𝑡 =𝑄𝑎𝑐𝑜𝑛𝑑 + 𝑄𝑎𝑟𝑎𝑑
𝑚𝑎 ∗ 𝐶𝑎
(17)
11
11 Gonzalez-Aviles, Mauricio & González, José. (2013). “Mathematical model of concentrating solar cooker”.
21
Las ecuaciones (15), (16) y (17) representan el Sistema de ecuaciones
diferenciales no lineales que modela el comportamiento de la cocina solar.
5. METODOLOGÍA
El proyecto se desarrolló siguiendo una metodología de diseño de prueba y error.
Esta consiste en empezar con un diseño base, hacer pruebas de desempeño,
analizar resultados, hacer modificaciones al prototipo y repetir. Este método se inició
bajo unos prototipos base sobre los cuales se tomaron las decisiones de diseño y
mejoramiento con cada iteración.
Figura 4. Esquema de trabajo.
Todos los prototipos se realizaron con 2 insumos base: cartón corrugado y papel
aluminio. Esto se hizo ya que estos dos materiales presentan buenas propiedades
para el desarrollo de la cocina y son de acceso universal a bajo costo. El cartón por
su parte, es un aislante térmico, lo cual beneficia al proyecto, y su estabilidad
estructural permite un prototipado rápido y de gran calidad. Por su parte, el papel
aluminio tiene un índice de reflexión alto (~0,8) y su adherencia al cartón es óptima.
La unión del papel aluminio al cartón se realizó con un adhesivo a base de harina
de trigo, azúcar y agua. Se usaron láminas planas de cartón corrugado de manera
que el prototipo pudiera ser plegable y de fácil transporte.
Para cada iteración se realizó una medición de temperatura a un vaso de agua
(200mL). Esto se hizo para tener una respuesta más cercana a lo que se espera
que pueda realizar la cocina.
22
Para la toma de datos se usó un circuito de Arduino con 2 sensores de
temperatura DS18B20. La conexión se hizo como se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Circuito usado para toma de datos. 12
Se usaron 2 sensores con el fin de medir tanto la temperatura del agua dentro
del recipiente como la cocina, con el fin de poder tener una estimación de la
eficiencia del sistema. La toma de datos se hizo a partir de un código en Arduino
que permita realizar las mediciones y con un código en Processing, el cual permite
crear un archivo de texto que se actualiza con las mediciones y las guarda. La
calibración de los sensores se hace por medio de un multímetro digital. (Anexos 1 y
2)
Una vez se realizan las mediciones se comienza la etapa de rediseño del
prototipo para mejorar sus funciones. Dependiendo de los resultados obtenidos se
realiza el plan de construcción del nuevo prototipo y se construye.
6. EQUIPOS
Para la realización de las mediciones se utilizaron los siguientes equipos:
TABLA II
EQUIPOS
12 Naylamp Mechatronics. “Tutorial sensor digital de temperatura DS18B20”. Naylamp Mechatronics. [Online]. Available:
https://naylampmechatronics.com/blog/46_Tutorial-sensor-de-temperatura-DS18B20.html [Acccessed 14 febrero 2020].
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Equipo Resolución Cantidad
Arduino Uno - 1
Sensor de temperatura
DS18B20
±0,0005 °C 2
Multímetro UNI-T
UT39Series
±0,5 °C 1
Equipos e instrumentos usados en el montaje de medición.
7. RESULTADOS
7.1 Primeros prototipos
En un principio se hicieron unos prototipos de las cocinas solares más usadas
comercialmente; la de caja y la parabólica. Esto se hizo con el fin de comprobar que
modelo daba un mejor desempeño en las condiciones climáticas de Bogotá. Estos
fueron modelos a pequeña escala (40x30x30 cm aprox.) en los que se midió la
temperatura del aire dentro del volumen de absorción. Las mediciones se hicieron
cada cinco minutos con un multímetro (Multímetro UNI-T UT39Series) de manera
que se pudieran apreciar las fluctuaciones de la temperatura provocadas por las
distintas condiciones ambientales.
Figura 6. Primeros prototipos. Izquierda (P1), cocina de caja. Centro (P2), cocina
parabólica. Derecha (P3), Cocina caja con variación en las paredes.
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Gráfico 1. Resultados de prototipos P1 (♦), P2 (×) y P3 (●).
Al analizar los resultados se pudo ver como las condiciones climáticas afectaron
las temperaturas. Las nubosidades afectan la temperatura fuertemente, si la
nubosidad es constante la temperatura decae rápidamente, haciendo que las
medidas sean inestables. Otro factor que hace que la temperatura varíe es el viento.
La pérdida de calor por convección es significativa. Como estos prototipos no tenían
la película que aísla el receptor de calor del medio las brisas tenían contacto directo
y bajaban la temperatura.
Al analizar las gráficas obtenidas, se puede comparar los prototipos en dos
aspectos: la temperatura alcanzada y la inercia térmica. Cuando se tienen estos
factores en cuenta, se ve que la configuración que mayor temperatura alcanza es la
del P3 (61°C), sin embargo, esta también es la que mayor afectación tiene por las
condiciones climáticas. Por lo tanto se descarta esta configuración. Los modelos P1
y P2 tienen un rendimiento similar, las temperaturas que alcanzan están entre los
55°C (P2) y los 59°C (P1). Las fluctuaciones afectan en mayor medida al P1, sin
embargo la diferencia no es tan significativa, razón por la cual se escogió este
modelo como geometría base para los siguientes prototipos.
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Gráfico 2. Comportamiento del P1.
El Gráfico 2 muestra el comportamiento de la cocina bajo la incidencia directa de
la luz solar. Se puede apreciar como esta cocina sigue un comportamiento en el que
su temperatura aumenta rápidamente en el tiempo y llega un punto en el que se
estabiliza.
7.2 Prototipo #2
Las siguientes modificaciones del modelo fueron la incorporación de una lámina
de acrílico, que mejoraba la respuesta del Prototipo #2 a las condiciones climáticas,
la brisa ya no afectaba la temperatura del receptor. Además se le añadieron unas
aletas que aumentaban el área de reflexión de la luz solar al receptor.
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Figura 7. Prototipo #2, KyotoBox
Para este prototipo se empezó a usar un sistema de adquisición de datos que
permitía recoger temperaturas de 2 sensores al tiempo, uno para la temperatura del
aire dentro de la cocina y otro para la temperatura del agua. Estas mediciones se
hacían cada minuto.
Gráfico 3. Temperatura del Prototipo #2. Temperatura del agua (×) y temperatura
del horno (●).
Las modificaciones permitieron que el Prototipo #2 alcanzara temperaturas por
encima de los 90°C en el interior de la cocina. Sin embargo, la tasa de transferencia
de calor al agua era muy baja todavía, pues la diferencia de temperaturas entre el
27
agua y el receptor llegaba a ser mayor a 40°C. Por otra parte, el aumento de la
temperatura del agua era constantemente creciente, lo que nos indica que los la
inercia térmica del Prototipo #2 tiene un buen desempeño frente al modelo anterior.
Sin embargo, se pueden apreciar caídas drásticas de temperatura al tener intervalos
de tiempo sin incidencia solar. Este tipo de variaciones en la temperatura de la
cocina no afectan en gran medida la tendencia de aumento en el agua si la el cambio
se da por poco tiempo, como se puede apreciar en la Fig. 3. la temperatura del
prototipo vuelve a su estado inicial rápidamente una vez vuelve a recibir luz solar
directamente.
7.3 Prototipo #3
Al tener que mejorar la transferencia de calor entre el receptor y el agua se
decidió cambiar el receptor por una olla de aluminio. De esta manera el receptor y
el agua a calentar están en contacto directo, mejorando la tasa de transferencia. Por
otra parte, el cambio de material del receptor permitió que la absorción de radiación
solar aumentara, ya que su coeficiente de conductividad térmica aumenta. También
se cambió la configuración de las paredes de la cabina de la cocina. Anteriormente
estas eran perpendiculares al horizonte, perdiendo capacidad de reflexión de la luz,
razón por la cual se decidió añadir un ángulo de incidencia a las paredes de la
cabina.
Al contrario que los otros prototipos, este no está apoyado completamente en el
suelo. De esta manera se evita que haya pérdidas de calor por contacto en el suelo.
Adicional, el soporte se hizo de material reflectivo con el fin de aumentar el área de
incidencia y redirección de la luz solar.
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Figura 8. Prototipo #3.
A diferencia que en el resto de prototipos, en este el receptor no es de color negro
en su superficie. Su superficie es brillante y el agua está completamente aislada de
la luz solar. El prototipo #3 es el primero en estar colocado en un lugar por encima
del suelo, esto hizo que su estabilidad fuera un problema, pues al ser un objeto con
una gran área superficial y estar situado en el exterior era susceptible a caer,
llegando al punto de derribarse por la acción de una brisa fuerte.
Gráfico 4. Temperatura del Prototipo #3. Temperatura del horno (×) y temperatura
del agua (♦).
El rendimiento de este prototipo es mejor pues alcanza temperaturas superiores
a los 100°C, por lo tanto podría llegar a hervir agua. Sin embargo, su inercia térmica
es muy baja, haciendo que la temperatura de la cocina sea inestable. Por otra parte,
el agua logra subir de temperatura a una tasa de 0.6°C/min de manera constante, a
pesar de las variaciones de la cocina.
29
Gráfico 5. Inercia térmica del Prototipo #3. Temperatura del horno (×) y
temperatura del agua (♦).
En este se hizo el primer análisis de la inercia térmica de la cocina una vez se
suspende la luz solar por completo. El Gráfico 5 muestra cómo se da una caída
drástica de la temperatura del horno, mientras que la temperatura del agua a una
tasa de 0.27°C una vez la temperatura del horno está por debajo. Esto pasa a las
14:52, hasta ese instante la temperatura del horno llevaba una caída fuerte, una vez
disminuye la temperatura debajo de la del agua, esta caída se estabiliza y sigue una
tasa de pérdida igual a la del líquido.
7.4 Prototipo #4
Como se vio en el prototipo #3, un aumento en el área de reflexión aumenta la
temperatura, y su eficiencia es mayor si estas superficies están bajo un ángulo de
incidencia que redirecione la luz al receptor. Por lo tanto, en el prototipo #4 se
decidió cambiar la estructura de la cocina por una en la que todas sus paredes
tuvieran una inclinación que reflejara la luz a la olla. En este prototipo también se
realizaron cambios en el receptor, pues este pasó a ser una olla de aluminio fundido
pintada con pintura negra en su superficie exterior. Además, este receptor ya no
sería un volumen contenido en los reflectores y cerrado por un acrílico, sino que
estaría envuelto en un plástico transparente, con el fin de minimizar la pérdida de
calor por convección de la olla al ambiente y mantener la radiación de onda larga
dentro. Este último cambio también busca minimizar el volumen fuera de la olla,
pues esto supone una pérdida de calor mayor. El prototipo #4 vuelve a ser un
prototipo que se sitúa en el suelo y su geometría permite tener un centro de masa
bajo y unos ángulos de incidencia del viento más cerrados, mejorando así su
estabilidad. Por otra parte, la consecución de los planos sigue una forma de
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paraboloide, haciendo que los rayos solares que inciden se focalicen en un punto.
Los planos del prototipo se encuentran en el Apéndice A.
Figura 9. Prototipo #4.
Las mediciones de este prototipo se hicieron en un recinto cerrado y bajo la luz
solar de la tarde, entre las 3 y las 5 de la tarde, pues las medidas de confinamiento
causadas por el COVID-19 no permitían estar afuera. Esto incidió en los resultados
obtenidos, pues en los prototipos anteriores las mediciones se realizaron entre las
10am y las 2pm, horario en donde la radiación solar alcanza su máximo.
Gráfico 6. Temperatura del Prototipo #4. Temperatura del horno (×) y temperatura
del agua (♦).
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El Gráfico 6 nos muestra el comportamiento del prototipo #4. En esta se puede
apreciar como la transferencia de calor entre el receptor y el agua es mucho
mayor, solo hay una diferencia de ~10° entre los dos. Por otra parte, la estabilidad
en las medidas se debe al cambio en la tasa de muestreo, pues se cambió a una
toma cada 5 minutos. El prototipo #4 también logró temperaturas del agua
cercanas a los 70°C, marca por encima de los anteriores. Esto nos indica una
mejora en la eficiencia del prototipo.
7.5 Modelo matemático
Al comparar los resultados de los prototipos con los obtenidos en el modelo
matemático para la temperatura de la cocina (Gráfico 7) se puede observar como la
línea de tendencia es similar a las de las figs. 2,3 y 6. De manera que el modelo
puede mostrar cómo se puede comportar la cocina de manera teórica según los
valores de las constantes que se le den.
Gráfico 7. Temperatura del horno por simulación numérica.
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8. TRABAJO FUTURO
Este tipo de cocinas son una fuente de energía prometedora para las zonas del país
en donde el acceso a energía eléctrica o a gas natural es muy limitado. Sin embargo,
para una mayor eficiencia y poder adquirir mayores temperaturas y prolongar los
tiempos en los que se puede usar se deben hacer ciertos mejoramientos y
modificaciones.
La implementación de sistemas de inercia térmica en el prototipo es una buena
forma de poder mantener la temperatura constante en la cocina en escenarios en
los que la incidencia del sol no sea constante. Estos mecanismos también permiten
aprovechar el calor acumulado por más tiempo después de que ya no haca luz solar,
adquieren una función de reservorio de calor. Por otra parte, estos sistemas pueden
funcionar como una forma de precalentar la cocina antes de su utilización,
fomentando la transferencia de calor a la olla o el elemento que se desee sea el que
reciba la radiación.
Otro posible trabajo a futuro puede ser el estudio de nuevos materiales para la
elaboración de la cocina, puesto que el uso de cartón presenta un problema en
climas húmedos. La integridad estructural del prototipo se puede ver afectada en
ambientes con alta presencia de agua.
Una buena forma de incrementar la temperatura en el colector es minimizar la
pérdida de calor en el colector por convección. Es común el uso de contenedores
transparentes que aíslen el receptor del ambiente. Esto también genera un efecto
invernadero dentro de este aislamiento, propiciando un aumento en la temperatura
del receptor.
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9. CONCLUSIONES
El uso de colectores solares de bajo costo puede ser una alternativa para las
cocinas que usan combustibles como fuente de energía. La posibilidad de alcanzar
temperaturas altas bajo una incidencia directa de la luz solar está al alcance de
muchos. Al lograr elevar la temperatura de una de las cocinas por encima de los
100°C se puede esperar que el mejoramiento de los prototipos pueda llegar a llevar
temperaturas en los alimentos a esa temperatura.
Al poder mantener una temperatura del agua por encima de los 60°C por un
tiempo prolongado el Prototipo #4 puede ser una alternativa para la pasteurización
del agua. A la hora de ser usado para la cocción de alimentos se tiene que tener en
cuenta que es un proceso mucho más lento que el convencional, puede llevar varias
horas.
Es posible construir un modelo matemático que nos permita predecir el
comportamiento del colector solar por medio de valores como la absortividad,
reflectividad, áreas de incidencia y condiciones de radiación solar del lugar. Estos
valores definen el comportamiento, cantidad y desempeño de los procesos
termodinámicos dentro del prototipo.
Es posible desarrollar un prototipo funcional de un colector solar de manera
sencilla y a partir de materiales de fácil acceso. Además, se puede realizar por
medio de procesos de manufactura accesibles a todo público. Sin embargo, el uso
de materiales como el cartón puede ser un problema a la otra de lidiar con lluvias,
puesto que al mojarse pierde toda la estabilidad estructural. Para futuros prototipos
se recomienda usar algún material resistente al agua, o en su defecto,
impermeabilizar el cartón que se va a usar.
Los factores climáticos como el viento, la temperatura ambiente, cantidad de luz
solar y presencia de nubosidades tienen una incidencia directa en el desempeño de
la cocina solar. Para futuras intervenciones se recomienda crear sistemas de inercia
térmica cerca al receptor del colector para que estas anomalías no tengan
repercusiones en la estabilidad térmica de los alimentos.
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BIBLIOGRAFÍA
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35
TecnoDesarrollos. “Como diseñar un concentrador solar parte 1”. Tecnodesarrollos. Available: https://www.youtube.com/watch?v=d2n428Wjc7k [Accessed 8 marzo 2020].
36
ANEXOS Anexo 1. Código para temperatura de los sensores en Arduino. #include <OneWire.h> #include <DallasTemperature.h> OneWire ourWire1(2); OneWire ourWire2(3); DallasTemperature sensors1(&ourWire1); DallasTemperature sensors2(&ourWire2); void setup() { delay(1000); Serial.begin(9600); sensors1.begin(); sensors2.begin(); } void loop() { sensors1.requestTemperatures(); float temp1= sensors1.getTempCByIndex(0); sensors2.requestTemperatures(); float temp2= sensors2.getTempCByIndex(0); float tempAgua = temp2 + 0.2; //Serial.print("Temperatura 1 = "); Serial.print(temp1); //Serial.print(" C"); Serial.print(","); //Serial.print(" Temperatura 2 = "); Serial.print(tempAgua); Serial.print(","); Serial.println(temp2); //Serial.println(" C"); delay(60000); }
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Anexo 2. Código para temperatura de los sensores en Processing. import processing.serial.*; Serial myPort; String val; PrintWriter output; void setup() { String portName = Serial.list()[0]; myPort = new Serial(this, portName,9600); output = createWriter ("temperatura.txt"); } void draw() { if (myPort.available()>0) { val = myPort.readStringUntil('\n'); } println (val); delay (60000); output.println(val); } void keyPressed(){ output.flush(); output.close(); exit(); }
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Anexo 3. Código modelo analítico de temperatura del colector MatLab. tspan = [0 3]; y0 = 290; [t,y] = ode45(@(t,y) (355.91-((5.585e-9)*(y^4))+39.5-310)*(1/0.44),
tspan, y0);
plot(t,y,'-o') xlabel('Tiempo [h]') ylabel('Temperatura [K]') title('Temperatura reflectores')
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Anexo 4. Código modelo analítico de temperatura de la olla/agua MatLab.
tspan = [0 30]; y0 = 290; [t,y] = ode45(@(t,y) (66.277+284.37-22.98)*(1/528), tspan, y0);
plot(t,y,'-o') xlabel('Tiempo [h]') ylabel('Temperatura [K]') title('Temperatura')
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Anexo 5. Código modelo analítico de temperatura EES.
hr_amb=Enthalpy(Aluminum; T=Tamb; P=101,325) hr_int=Enthalpy(Aluminum; T=Tint; P=101,325) hr_int2=Enthalpy(Aluminum; T=Tint2; P=101,325) Er=0,97 Erf=0,03 alfa=0,97 alfa_rf=0,09 Id=154,17 [W/m^2] Ir=123,18 sigma=5,567*10^(-8) Tamb = 290 [K] Tsky = 0,0552*Tamb^(1,5) Tint = (Tr+Tf)/2 Tint2 = (Tr+Trf)/2 Ar = 0,096 [m^2] Arf= 1,97 [m^2] mr = 0,6 [kg] mrf = 0,0005 mf = 0,5 [kg] Cr = 880 [J/kg K] Crf = 880 [kJ/kg K] Cf = 4186 [J/kg K] Q_1rad = ((Ar*alfa*Id)+(Arf*Ir))/t Q_2rad = (Ar*Er*sigma*((Tr^4)-(Tsky^4)))/t Q_3conv = (Ar*hr_amb*(Tr-Tamb))/t Q_3conv2 = (Ar*hr_int2*(Tr-Tint2)) Q_4rad = (Ar*Er*sigma*((Tr^4)-(Trf^4)))/t Q_5rad = (Arf*alfa_rf*Id)/t Q_6conv = (Arf*hr_amb*(Trf-Tamb))/t Q_7rad = (Arf*Erf*sigma*((Trf^4)-(Tsky^4)))/t Q_8conv = (Ar*hr_int*(Tint-Tr))/t Q_9rad = (Ar*Er*sigma*((Tr^4)-(Tf^4)))/t "condiciones iniciales" Tr_in = Tamb Trf_in = Tamb Tf_in = Tamb "cond iniciales" "Tr =Tr_in Trf = Trf_in Tf = Tf_in"
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t=0 [s] "ecuaciones" dTrdt = (Q_1rad - Q_2rad - Q_3conv - Q_4rad - Q_8conv - Q_9rad - Q_3conv2)/(mr*Cr) dTrfdt = (Q_5rad + Q_4rad - Q_6conv - Q_7rad + Q_3conv2)/(mrf*Crf) dTfdt = (Q_8conv + Q_9rad)/(mf*Cf) "ecuacion integral" t_sim= 3600 [s] Tr = Tr_in + Integral(dTrdt,t,1,t_sim, 60) Trf = Trf_in + Integral(dTrfdt,t,0,t_sim) Tf = Tf_in + Integral(dTfdt,t,0,t_sim)
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Anexo 6. Planos Prototipo #2.
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45
Anexo 7. Plano Prototipo #3.
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Anexo 8. Plano Prototipo #4.
