ESTUDIO Y DISEÑO DE UNA COCINA SOLAR

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA COCINA SOLAR

CARLOS GONZÁLEZ MOZO

ENRIQUE GONZÁLEZ GONZÁLEZ

Proyecto presentado en la Escuela Universitaria Politécnica de Valladolid C/ Francisco Mendizábal, nº 1

47014 Valladolid

TUTOR: FERNANDO FRECHOSO ESCUDERO

frechoso@eis.uva.es Teléfono: 98318-4544

Resumen: Diseño y construcción de una cocina solar es un proyecto basado y pensado para ayudar a las personas de los países subdesarrollados, mejorar su nivel de vida y construir un mejor medio ambiente para frenar el cambio climático. Algunas ventajas son no tener que talar árboles, no producir humo y poder desinfectar material médico. Para su diseño empleamos cálculos básicos de una parábola y las leyes físicas de la reflexión. En su construcción se emplearon materiales baratos y se hizo especial hincapié en que pudiese usarse de manera muy sencilla. Se realizaron dos pruebas experimentales, una cocinando pan, arroz y salchichas, y otra calentando agua y los resultados fueron muy satisfactorios pudiendo cocinar para 4-6 personas en menos de una hora. Por último decir que es muy necesario la implantación de las cocinas solares en el mundo para estas personas y que además es necesario que vaya una persona que les ayude a entender el funcionamiento y a explicarles la cantidad de ventajas que tiene para su vida cotidiana. Palabras clave: Ventajas, paises subdesarroyados, enseñanza de funcionamiento. Abstract: Design and construction of a solar cooker is a project based and thought to help the persons who lives in underdeveloped countries, to improve their standard of living and to build a better environment to stop the climatic change. Some advantages are don’t have to fell, not produce smoke, to be able to disinfect medical material. For its design we use basic calculations of a parable and the physical laws of the reflection. In this construction cheap materials were used and there was done special support that it could be used of very simple way. Two experimental tests were realized, one cooking bread, rice and sausages, and other one warming water and the results were very satisfactory being able to cook for 4-6 persons in less than one hour. Finally we have to say that it’s very necessary the implantation of the solar cookers in the world for these persons and it’s very important to make it that a person helps them to learn and to understand the work of the cooker. Keywords: Advantages, underdeveloped countries, teach of working.

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1. TÍTULO DEL PROYECTO

Diseño y construcción de una cocina solar, basándonos en la concentración de los rayos

solares en un punto. Para ello estudiaremos el comportamiento físico de los mismos.

Las pruebas se realizarán en Valladolid en el mes de agosto.

2. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO

La introducción de una cocina solar en su estilo de vida, supone un avance para ellos

histórico, en todos los frentes: de la salud, de la economía,…sin contar el beneficio que

se hace al medio ambiente y que también repercute en ellos de manera favorable, al ser

un camino hacia la sostenibilidad con nuestro entorno.

Vamos a analizar las ventajas que suponen para habitantes de países subdesarrollados el

uso de una cocina solar.

• SALUD

- Evitar enfermedades crónicas y mortales por los alimentos y aguas

contaminadas.

- Evitar enfermedades crónicas respiratorias por la inhalación de humo.

- Desinfectar instrumental médico.

• SOCIAL

- La cocción con leña requiere de un esfuerzo de recolección considerable, que

en su mayor parte recae sobre niños y mujeres.

• MEDIO AMBIENTE

- Tala masiva de árboles.

- Perdida de fertilidad del suelo.

• ECONOMÍA

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- La cocina solar puede ser una herramienta útil para estimular el desarrollo

económico en áreas pobres, dedicando el dinero destinado a carbón o a

combustibles para cocinar en otros fines.

- La producción artesanal de alimentos envasados, en particular dulces.

- Secado solar de frutos.

• IGUALDAD

- La escasez de combustible hiere a las mujeres, puesto que la responsabilidad

está en ellas para encontrar soluciones.

- La disponibilidad del combustible afecta hábitos de cocción y disponibilidad

del alimento.

- Una mejor comprensión es necesaria sobre el impacto de la salud al

restringir a las comunidades pobres que tengan acceso a los recursos

naturales.

- Las relaciones entre el combustible, el alimento, el agua, el tiempo de las

mujeres y su salud, merece una atención adicional.

- Los desórdenes respiratorios de las mujeres se ligan a la exposición al humo,

resultado de la cocción doméstica. Sin embargo, las enfermedades

respiratorias en las mujeres, quedan a menudo sin tratamiento.

3. OBJETIVOS

Nuestros objetivos pues en este proyecto van a ser los siguientes:

- Realizar un estudio sobre los beneficios que suponen las cocinas solares.

- Analizar la física de las cocinas y su funcionamiento.

- Realizar un estudio sobre las distintas cocinas existentes en la actualidad.

- Analizar las desventajas más notables de ellas y determinar el diseño que

seguiremos en la creación de nuestra propia cocina.

- Diseño y construcción de nuestra cocina.

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- Determinar los posibles riesgos de nuestra cocina.

- Analizar los resultados obtenidos en las pruebas con nuestra cocina.

- Analizar ventajas y desventajas con respecto a las ya existentes.

- Analizar el porque de la no aceptación de las cocinas solares en ciertos sitios.

- Estudiar la implantación de las cocinas solares hoy día en el mundo.

- Visión de futuro de las cocinas solares.

- Conclusiones.

4. ESTUDIO DEL ARTE DE LAS COCINAS SOLARES

Para la elaboración de nuestra cocina estudiaremos las características básicas de los

rayos solares (radiación, ángulos de incidencia, nubosidad, …).

También tendremos en cuenta la manipulación de los alimentos con el calor

(conservación, cocinado, …).

Existen dos sistemas de cocinas solares: los basados en el principio de acumulación y en

él de concentración, y para cada sistema existen diferentes diseños.

Las de concentración se basan en dirigir todos los rayos captados hacia un mismo punto

(foco) donde se colocará la cazuela.

Las de acumulación se basan en acumular la energía solar a través del efecto

invernadero en el interior de una caja donde se encuentran los alimentos.

También existen las cocinas mixtas que utilizan ambos métodos y las indirectas que

utilizan el calor almacenado en un fluido térmico para calentar los recipientes.

En nuestro caso hablamos de una cocina de concentración.

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Cocina parabólica de concentración.

Cuadro 1

Valoración del uso de las cocinas solares de acumulación y de concentración

Características Cocina de acumulación Cocina de concentración

Necesidad de reorientación Media Alta

Facilidad de manejo Sencilla Regular

Estabilidad frente al viento Buena Buenz

Temperaturas alcanzables Regulares Altas

Velocidad de cocción Baja Alta

Necesidad de vigilancia Reducida Elevada

Riesgo de incendio Nulo Posible

Precio Bajo Mas elevado

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Mantenimiento Muy reducido Regular

Facilidad de acceso ollas Reducido Fácil

Auto construcción Fácil Más complicada

Limpieza de las ollas Sencilla Normal

Facilidad de almacenaje Buena Regular

Permite freír y/o asar No Si

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F

XY

⋅=

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5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE NUESTRA COCINA SOLAR

La primera decisión que tenemos que tomar es escoger entre las cocinas de acumulación

y las de concentración.

Las de acumulación tienen como ventajas que son muy sencillas, fáciles de construir y

baratas. Sin embargo la potencia es escasa, pudiendo cocina casi únicamente en las

horas punta de sol además de ser mucho más frágiles y corruptibles en medios húmedos

ya que la mayoría tiene cartón en su fabricación.

Las de concentración son más caras y más complejas en su diseño y construcción pero

por el contrario tienen mucha más potencia, lo que te permite cocinar incluso en

condiciones seminubladas y ahora no puntas de sol; es más cómoda de utilizar (el fogón

está a la altura de las cocinas normales) y más duradera.

El tipo de cocina elegido es de concentración parabólica con una potencia de captación

aproximada de 1000 Kw. 5.2. Cálculos teóricos y diseño de la cocina

- Cálculos teóricos

Lo primero que se debe tener en cuenta es el tipo de cocina al que nos abocaremos, y

conocer como es posible determinar las dimensiones óptimas para la estructura. Por eso

es que entraremos en un poco de cálculos matemáticos muy básicos, que son necesarios

para nuestro diseño.

La idea principal es que es una cocina parabólica, porque la zona de reflexión de la luz

donde se situarán los espejos es una parábola.

La función principal de una parábola, es que tiene la particularidad de concentrar toda la

energía incidente del sol (idealmente) en un foco, o punto, determinado por la geometría

de la misma y siempre que los rayos incidentes lleguen a la parábola perpendiculares.

A partir de este punto, el cual elegiremos nosotros su ubicación, determinaremos los

demás parámetros de la parábola.

Y es obvio que el foco o punto de concentración le situaremos en nuestra cocina justo

en el hueco en el que se va a situar la cazuela o sartén.

La forma de la parábola se calculara con la fórmula 1:

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dónde las variables se definen como:

- Y: Altura de la parábola.

- X: Ancho de la parábola medido del vértice (radio).

- F: Foco o punto de concentración (lugar donde se ubicará la olla).

Después de esto los cálculos consistían en como determinar cual iba a ser el punto de

giro de la parábola, las dimensiones de la estructura dependiendo de la parábola y

alguno más en los que ya no entraremos en detalle.

Lo siguiente era pues la construcción física de la misma, proceso que dividimos en 4

pasos.

El orden de construcción fue el siguiente:

- Construcción de la mesa y del soporte para el cajón con la parábola.

- Realización de la forma de la parábola con el poliestireno.

- Construcción del cajón de la parábola y de los mecanismos para su giro y

soporte.

- Colocación de los espejos en el poliestireno.

El resultado fue el siguiente:

Resultado final.

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Una vez completa la construcción de nuestra cocina y posterior secado de los productos

de pegado, sometimos a nuestra cocina a dos pruebas experimentales.

6. PRUEBAS EXPERIMENTALES

La primera prueba consistía en hervir unos 700cl. de agua aproximadamente. Con

temperatura inicial del fluido de 27.7oC conseguimos alcanzar 100.7ºC al cabo de 1

hora y 10 minutos.

La segunda prueba fue con aceite, donde intentamos freír 7 salchichas y unos cuantos

chuscos de pan. A los dos minutos de verter el aceite en la sartén este alcanzó los 98ºC

de temperatura y a los seis minutos después las salchichas estaban perfectamente hechas

para comer. El aceite alcanzó una temperatura máxima de 126.6ºC.

Al día siguiente intentamos cocinar arroz para 6 personas. El plato en cuestión va a

consistir en introducir 500 gramos de arroz en un litro de agua hervida para su cocción.

Lo primero pues consistirá en hervir ese litro de agua. Una vez hervido el agua, se

vierten en él los 500 gramos de arroz. El tiempo total empleado fue de una hora y seis

minuto, con lo que creemos que la prueba ha sido más que satisfactoria.

Hemos observado que nuestra cocina solar fabricada es más que apta para cocinar en

Valladolid en las fechas del experimento. Sin embargo aquí sólo es válida durante los

meses de junio, julio, agosto y septiembre, y durante las horas centrales del día en las

que las temperaturas son máximas y el sol se encuentra es su punto más alto.

7. CONCLUSIONES

• La cocina solar es una manera de reducir desigualdades y mejorar la calidad

de vida en muchos aspectos de las personas de países del tercer mundo. No

gastar tiempo en ir a por madera, no cocinar con humo, tener más tiempo

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para otras actividades productivas son algunas de las ventajas para estas

personas.

• Además el uso de las cocinas solares es muy beneficioso para la naturaleza

evitando la tala de árboles con sus ventajas para eliminar CO2, evitar

inundaciones,etc…

• Fundamentalmente las cocinas solares más importantes son de 2 tipos: los

hornos solares; baratos, de fácil construcción y de regulares capacidades y

las cocinas parabólicas; más caros y complejos de diseñar pero con un

rendimiento mucho mayor.

• Para la construcción de una cocina solar parabólica, la parte más importante

es la del diseño y los cálculos matemáticos de la parábola. De la precisión de

ellos dependerá buena parte del rendimiento de la cocina.

• Será muy importante también el disponer del hilo de cobre para trazar con

precisión los cortes de las placas de poli estireno.

• Es conveniente revisar el reflejo de los espejos de la parábola para

asegurarse de que todos dirigen sus rayos al foco. Aún así es conveniente

tener precauciones al cocinar con cocinas parabólicas utilizando gafas de sol

y no olvidando la chapa protectora siempre que sea posible.

• Debido a las enormes ventajas que se sacan de la utilización de la cocina

solar es importante difundirla y darla a conocer en las regiones para las que

ha sido diseñada. Y no valdrá sólo con dejarlas allí, sino que será de vital

importancia el enseñar a utilizarlas y realizar un seguimiento durante varias

semanas en los lugares donde se quiera implantar.

8. IMPLANTACIÓN COCINAS SOLARES EN EL MUNDO

Después de todas las ventajas que hemos enumerado anteriormente parece increíble que

no se haga un esfuerzo para que en todas las aldeas del tercer mundo se cocine con

cocinas solares.

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Sin embargo ese esfuerzo si es realizado por muchas ONG u otras organizaciones de

ayuda al desarrollo, que ven como a pesar de los intentos realizados, los aldeanos se

resisten a cocinar con las cocinas solares.

Dichas organizaciones han llegado a la conclusión de que las razones por las que el uso

de las cocinas solares es tan bajo son las siguientes:

• La gente no quiere arriesgarse a perder su comida diaria.

• Tienen prioridades más grandes para el dinero que han ahorrado.

• El dinero está controlado por los hombres a los que les da igual como se cocine.

• Las mujeres están acostumbradas a cocinar dentro de casa, y sienten vergüenza

de hacerlo afuera.

• Es un área de hambruna y la gente no quiere que los demás sepan qué y cuánto

está comiendo.

• Las cocinas solares no pueden cocinar temprano por la mañana ni cuando

anochece.

Con esto queda de manifiesto que no vale ni muchísimo menos sólo con llevar las

cocinas hacia las aldeas donde las vayan a usar, sino que se hace imprescindible un

tutor que asesore y convenza a los ciudadanos de las ventajas tan importantes que

van a obtener con su uso a la vez que les enseña a usarlas y repararlas.

9. JUSTIFICACIÓN PARA LA INNOVACIÓN

Uno de los principales problemas hoy en día a nivel mundial es el cambio climático y la

eficiencia energética, el intentar depender lo menos posible del crudo, por esta razón se

están buscando nuevas fuentes de energía alternativas que no sean perjudiciales para el

medio ambiente.

Una de estas fuentes alternativas es el sol, del cual podemos obtener energía de

diferentes formas.

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Hasta el momento lo más usual son paneles fotovoltaicos, de los que se obtiene

electricidad, y colectores solares con los que calentamos el agua para uso doméstico,

pero además este tipo de energía se puede usar para cocinar o como caldera de una

central eléctrica mediante la concentración de los rayos solares. Un ejemplo es la central

termosolar de Almería que utiliza el sol para calentar un fluido que mueve una turbina y

posteriormente produce electricidad.

Nuestro proyecto se centra en la construcción de una cocina solar que se basa en

concentrar los rayos solares en un punto, donde colocaremos un recipiente para cocinar

los alimentos. El sistema de concentración es una parábola, similar al utilizado en las

centrales termosolares.

Los resultados obtenidos después de las pruebas fueron muy aceptables ya que con una

superficie de concentración relativamente pequeña (1m2) fuimos capaces de hervir

agua, de cocinar arroz y de freír para una familia entera.

Estos resultados son especialmente importantes por todas las razones que vienen dadas

brevemente en este resumen y más exhaustivamente en la memoria.

Los efectos favorables para la naturaleza como la disminución de impacto, tala de

árboles, emisiones de CO2 que proporcionaría el uso de nuestras cocinas son muy

destacables.

Si bien los beneficios que se obtienen para el medio ambiente son muy importantes,

más lo son para las personas del tercer mundo que incrementarían notablemente

su calidad de vida con ellas.

Y esta es nuestra principal apuesta.

Y hay que decir que se lanza en un buen momento, pues son cada vez más los gobiernos

centrales y estatales (Junta de Castilla y León), las fundaciones de personas ricas

(fundación Bill y Melinda Gates, fundación Rafa Nadal,…) y de clubs de fútbol los que

se lanzan con importantes donaciones para hacer un mundo más justo e igualado.

Nuestro proyecto es un prototipo, pero es la base para aplicarlo a nivel industrial y

obtener todas las ventajas que expusimos anteriormente.

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Centrándonos en sus aplicaciones para las empresas y sectores de Castilla y León

observamos que no hay una aplicación directa de la que pudiesen obtener beneficios

inmediatos de dinero.

Pero si que pueden obtener unos beneficios mucho más importantes.

Hemos hablado con alguna ONG y se mostraron interesados en nuestro proyecto, si

bien es necesaria la ayuda de una empresa que desarrolle de manera industrial nuestro

proyecto y financie parte de una posible campaña de cocinas solares en dichos países

pobres.

Y es aquí donde entrarían las empresas de Castilla y León.

Hemos señalado antes que grandes clubs y fundaciones hacían importantes donaciones,

pero también en la región contamos con empresas que dedican parte de sus beneficios a

acciones sociales como BMC Maderas y otras,…

Sería una oportunidad fantástica de dedicar estos esfuerzos a una causa tan buena como

ésta, y que mejor beneficio para ellas que el pensar todo lo positivo que van a aportar a

aquellas personas.

Además de manera un poco egoísta también supondría una publicidad para ellas

importante, ya que no se han hecho muchos proyectos de este calibre y gozarían de la

atención de la prensa y de las instituciones.

Sin contar también de los pequeños beneficios fiscales que se obtienen por dedicar

ingresos a estas acciones sociales.

Beneficios diferentes (medio ambiente y social) para un proyecto diferente, pero no por

ello menos atractivos para los empresarios de Castilla y León, que al igual que toda

España y el mundo entero son cada vez más solidarios para luchar por un mundo más

justo.

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10. REFERENCIAS

� Ingeniería sin fronteras

� FAO

� Solarcooking.org

� Proyecto investigación Universidad Técnica Federico Santa María

� tablesol.free.fr

� solarcookers.org

� www.kozon.org

� www.afexgroup.com

� www.gbgm-umc.org/solarovenshaiti

� www.earthvisionfest.org

� www.solar-circle.org

� “Cocinas ecológicas”, David Whitfield y Ruth Saavedra

� “Una verdad incómoda” Al Gore.

� Congreso Granada 2008 sobre cocinas solares

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11. AGRADECIMIENTOS

Queremos agradecer en primer lugar a nuestra familia y amigos, a los que les

entusiasmó desde el principio la idea de nuestro proyecto y nos apoyaron todo el

tiempo.

También a la Escuela Politécnica, que nos dio la oportunidad de poder realizar este

proyecto y en especial a Fernando Frechoso, tutor del proyecto y que nos estuvo

guiando y ayudando a lo largo del mismo.

Especial mención también para los profesores del departamento Julián y Carlos, que

aunque no fueran nuestros tutores, el proyecto no hubiera sido posible sin ellos.

Y por último agradecer a la Cátedra de Energías Renovables su gran iniciativa de

promover estos premios y por haber reconocido nuestro trabajo.

Muchas gracias a todos.