ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

Maestría en Eficiencia Energética

ACUMULADORES

PROYECTO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA COCINA SOLAR

PARÁBOLICA PLEGABLE

LINDA CHIMBORAZO

CÉSAR BARREIRO

CONTENIDO

Introducción:........................................................................................2

Objetivos:..........................................................................................2

Desarrollo.............................................................................................3

Marco Teórico....................................................................................3

ENERGÍA SOLAR:............................................................................3

RADIACIÓN SOLAR.........................................................................3

EFECTO INVERNADERO..................................................................5

COCCIÓN DE ALIMENTOS...............................................................5

COCINA SOLAR...............................................................................5

Diseño:..............................................................................................7

Construcción:.....................................................................................7

Resultados Obtenidos......................................................................11

Conclusiones y Recomendaciones:.....................................................12

Bibliografía.........................................................................................12

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Introducción:

Este documento se encuentra organizado de la siguiente forma, al inicio se describen los objetivos planteados para el desarrollo de este proyecto , luego se presenta una breve síntesis teórica relacionada con el diseño de una cocina solar parabólica plegable, posteriormente se indican los detalles de construcción de la mencionada cocina, los resultados obtenidos, las conclusiones, recomendaciones y la bibliografía consultada.

Objetivos:

Aplicar en forma práctica los conocimientos de la Materia Acumuladores.

Realizar un diseño y construcción de un elemento útil, portátil usando energías alternativas.

Cumplir con las metas y límites dados para el desarrollo del proyecto tanto técnico como económico.

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Desarrollo

Marco Teórico

ENERGÍA SOLAR:

Figura 1: Energía solar

La energía solar es una fuente de vida y origen de la mayoría de las demás formas de energía en la Tierra. Cada año la radiación solar aporta a la Tierra la energía equivalente a varios miles de veces la cantidad de energía que consume la humanidad. Recogiendo de forma adecuada la radiación solar, esta puede transformarse en otras formas de energía como energía térmica o energía eléctrica utilizando paneles solares.

Mediante colectores solares, la energía solar puede transformarse en energía térmica, y utilizando paneles fotovoltaicos la energía luminosa puede transformarse en energía eléctrica. Ambos procesos nada tienen que ver entre sí en cuanto a su tecnología. Así mismo, en las centrales térmicas solares se utiliza la energía térmica de los colectores solares para generar electricidad.

Se distinguen dos componentes en la radiación solar: la radiación directa y la radiación difusa. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes, y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas direcciones. Sin embargo, tanto la radiación directa como la radiación difusa son aprovechables.

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RADIACIÓN SOLAR

Para iniciar en la investigación sobre el aprovechamiento de la energía solar en la cocción de alimentos es necesario comprender el comportamiento de la radiación, a continuación se realizan unas precisiones teóricas:

Cuando los rayos solares inciden sobre algún objeto, éstos pueden ser absorbidos, reflejados o refractados dependiendo de las características del material receptor.

Un material que se denomine como buen absorbente de energía radiante, refleja muy poco de ella, en consecuencia, la superficie se ve obscura. Un buen absorbente parece obscuro y un absorbente perfecto no refleja energía radiante y parece totalmente negro y la energía que se absorbe aumentará su temperatura.

La reflexión y absorción son procesos opuestos. Los buenos reflectores son malos absorbentes.

Cuando la radiación llega a la superficie de un material ideal reflexivo, es rechazada y emitida de regreso. El ángulo con que incide con respecto a la normal es el mismo con el que es reflejado.

Cuando la superficie donde se refleja la luz es muy lisa, los rayos reflejados apenas sufrirán cambios y todos se reflejarán con el mismo ángulo; lo que sucede en un buen espejo. Mientras más rugosa es la superficie los rayos que inciden encuentran diferentes ángulos por lo que el ángulo de reflexión será muy variado y la radiación saldrá en todas direcciones, como se muestra en la siguiente figura:

Figura 2: Reflexión según rugosidad

En consecuencia, si el interés es reflejar la luz solar en una dirección concreta, se debe considerar la calidad de la superficie y no sólo las propiedades reflexivas del material.

La refracción sucede cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro con características distintas, lo que produce un cambio en la dirección del rayo.

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EFECTO INVERNADERO

El efecto invernadero obtiene su nombre de las estructuras de vidrio ó plástico que se utilizan en la agricultura para “atrapar” la energía solar en el invernadero y elevar la temperatura del ambiente.El vidrio, al igual que algunos otros materiales, es transparente a las ondas de luz visible y opaca a rayos ultravioleta e infrarrojos.

Figura 3: Efecto invernadero

COCCIÓN DE ALIMENTOS

Es la operación culinaria que se sirve del calor para que un alimento sea más sabroso, apetecible y digerible, favoreciendo también su conservación.

Es un proceso que requiere temperatura y tiempo. De hecho la cocción parte a los 50 o 60 °C. Mientras mayor sea la temperatura, más rápida es la cocción. El ideal es temperaturas de 80 a 100 °C. Temperaturas mayores pueden destruir vitaminas y proteínas en los alimentos.

Hay algunos alimentos (los pescados) que se cuecen en forma óptima a muy baja temperatura. En cambio a otros, necesitan una temperatura más alta (de 135 a 145 °C) para que queden doraditos, por ejemplo, el pollo asado.

Por regla general, se puede calcular que con una cocina solar, la comida tomará más o menos el doble de tiempo que en forma convencional. Como en este tipo de cocinas la comida no se puede quemar, no hace falta ir a verla ni moverla mientras se cocina. Se puede simplemente dejar la comida en diferentes recipientes y encontrarla más tarde perfectamente cocinada.

COCINA SOLAR

La primera estufa solar fue inventada en 1767 por Horace de Saussure.

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Los hornos solares son artefactos que permiten cocinar alimentos usando el sol como fuente de energía. Se dividen en dos familias:

De concentranción. Se basan en concentración de la radiación solar en un punto, típicamente a través de un reflector parabólico. En dicho punto se coloca la olla que cocinará los alimentos. Generan altas temperaturas y permiten freír alimentos o hervir agua. Son particularmente peligrosas al usuario si no se tiene cuidado y si no usas el tipo de protección debe ser necesario.

Horno o caja. El horno o caja solar es una caja térmicamente aislada, diseñada para capturar la energía solar y mantener caliente su interior. Los materiales generalmente son de baja conducción de calor, lo que reduce el riesgo de quemaduras a los usuarios y evita la posibilidad de incendio tanto de la cocina como en el lugar en el que se utiliza. Además los alimentos no se queman ni se pasan conservando así su sabor y valor nutritivo.

Existe la posibilidad de usar materiales ligeros, resistentes, livianos y plegables. Por lo tanto se pueden diseñar hornos solares portátiles, con dimensiones y morfología que permitan que los procesos de guardado, armado, desarmado y traslado se efectúen de forma cómoda, simple y práctica.

En el diseño y construcción de las cocinas solares se puede aprovechar la energía solar de una ó combinar las siguientes formas descritas:

Concentración:

La concentración consiste en redirigir los rayos solares a un área menor que la de recepción, esto se logra mediante materiales reflexivos como podría ser algún espejo, lámina de aluminio o plástico metalizado. El flujo de energía por unidad de área aumenta según la calidad del material reflexivo y área de captación. Si se convierte esta radiación en energía podremos lograr las temperaturas suficientes para cocinar los alimentos.

Figura 4: Concentración de radiación

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Efecto invernadero:

Lo que se pretende es que una vez que la radiación solar ha entrado a la cocina, acumular su energía en el interior de la caja, absorber el máximo y reducir las pérdidas.

Figura 5: Efecto Invernadero

Diseño:

Las cocinas parabólicas son aquellas que concentran la luz solar en una superficie pequeña. La "parábola" puede ser un paraboloide de revolución, un casquete esférico, un arreglo de espejos planos, un conjunto de gajos curvos, etc.

El elemento reflectante puede ser de acero inoxidable, aluminio, papel de aluminio, acetato, mylar, poliéster u otras láminas plásticas aluminizadas, etc.

En el diseño construido se hace uso de los dos métodos del aprovechamiento solar, explicados anteriormente que son la concentración y la acumulación de la energía solar, lo que permitirá teóricamente llegar a temperaturas superiores a los 100 °C.

Construcción:

Materiales:

A continuación se detalla la lista de materiales que se utilizaron para la construcción de la cocina, con los valores correspondientes.

Tabla 1: Lista de materiales

Lista de MaterialesMaterial # Unidad c/u C Total

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Planchas de acero inoxidable 2 u 35 70Plástico transparente 1.5 u 1 1.5Velcro (color blanco) 3 m 0.75 2.25Bisagra (desacoplable) 24 m 0.65 15.6Cemento de contacto 1 u 0.8 0.8Soldadura de bisagras 24 u 0.2 4.8Pernos, soporte cocina 1 u 5 5 Total $ 99.95

Proceso de construcción:

a) Dibujar uno de los elementos de la parábola en una escala 1:1, para utilizar como matriz para cortar en la plancha de acero inoxidable.

Medidas de cada elemento de la parábola:

Tabla 2: Medidas de cada elemento de la parábola

Identificación Valor

a 3.5

b 13

c 23

d 24

e 37

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Figura 6: Dibujando los elementos de la cocina

b) Cortar cada uno de los elementos de la parábola en la plancha de acero inoxidable.

Figura 7: Corte de elemento

c) Soldar las bisagras en los lugares adecuados según la siguiente figura:

Figura 8: Soldadura de bisagras

d) Unir las piezas de la cocina y armarla.

Figura 8: Soldadura de bisagras

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e) Cocer el velcro con el plástico, según la forma de la cocina (ya que se colocará como una tapa de la misma).

Figura 9:Costura de velcro

f) Pegar velcro en cada elemento de la cocina así:

Figura 10: Pegado de velcro

g) Tapar la cocina con el plástico:

Figura 11: última etapa de la cocina

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h) Tomar las medidas de la temperatura alcanzada en la cocina:

Figura 12: Mediciones de temperatura

Resultados ObtenidosLas pruebas se realizaron durante un día completo desde las 10:00 hasta las 16:00, tomando mediciones puntuales de acuerdo a las variaciones de temperatura ambiente, un resumen de los resultados obtenidos se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 3: Resultados obtenidos

Característica UnidadPeso 3 [kg]Área 0,6 [m^2]Temperatura máxima 135 [°C]Temperatura mínima 60 [°C]Variación temperatura ambiente 17 - 24 [°C]

Conclusiones y Recomendaciones:

El proyecto diseñado y construido cumple con los objetivos propuestos tanto en el aspecto técnico que tiene relación con la temperatura máxima que alcanzó ya que la meta era superar los 100°C, se construyó un elemento útil, se evidenció los criterios dados en la teoría y con el aspecto económico en donde el límite eran $100 de inversión.

Se optó la construcción con acero inoxidable en lugar de papel aluminio debido a su calidad de reflexión, esto se analizó en la parte teórica.

El diseño de la cocina solar propuesto y construido aprovecha dos principios físicos, el primer lugar la concentración de los rayos solares en un punto focal gracias a la forma geométrica de una parábola y en el

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efecto invernadero gracias al empleo de un plástico tranparente que permita el ingreso de la radiación UV y atrapar el calor.

El diseño de la cocina permite que se lo desarme y se lo pueda transportar sin mayor problema.

Se podría aprovechar mejor el calor si se cubre la cocina con un elemento como puede ser la lana de vidrio, en el caso de nuestro diseño no fue posible incluir esto debido a que de hacerlo se hubieran superados los límites económicos.

Bibliografía Solís Ana Paola, Tecnologías para procesar alimentos con energía solar,

Tesis Ms, España, Barcelona 2005. www.sunspot.org.uk/sunbrella/index.htm . www.solarcookin.org/plans.htm . www.wikipedia.org Apuntes de Clases de Acumuladores, Físico Marco Yanez

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