SNES2012_008

XXXVI SEMANA NACIONAL DE ENERGÍA SOLAR

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMETACIÓN DE LA COCINA SOLAR JORHEJPATARANSKUA

Luis B. López Sosa, Dante González Pérez y Mauricio González Avilés.

Área de Desarrollo Sustentable, Universidad Intercultural Indígena de Michoacán, Finca la Tzipekua CarreteraPátzcuaro Huecorio km 3, Pátzcuaro, Michoacán,CódigoPostal 61614

Tel.(434)3425532y3422307, Fax.(434)3458088, Correo electrónico:sosabernardo@hotmail.com rectoria_uiim@prodigy.net.mx

RESUMEN La cocina solar Jorhejparanskua (González-Avilés, et. al, 2012a), es resultado de un proceso experimental de diversos prototipos de cocción solar, basado en un Concentrador Parabólico Compuesto (CPC) de revolución, cuenta con alas exteriores plegables, para aumentar el factor de concentración, adicionalmente posee un mecanismo de inclinación y seguimiento, manual, solar en la base de la misma. El recipiente de cocción solar es una olla exprés de 5 litros de capacidad color negro. La potencia de cocción estándar del dispositivo más optimizado es del orden de 100 Watts por metro cuadrado. Se cuenta con un proyecto aprobado de implementación de este dispositivo en una comunidad marginada del estado de Michoacán para reducir la extracción de recursos maderables.

ABSTRACT The solar kitchen Jorhejparanskua (González-Aviles, et. al, 2012a), is been from an experimental process of diverse prototypes of solar baking, based on Composed Parabolic Concentrator (CPC) of revolution, counts on folding outer wings, to increase the concentrator ratio, additionally owns a mechanism of inclination and pursuit, manual, in the base of the same. The solar container of baking is a pot express of 5 liters of capacity black color. The power of standard cooking of the optimized device more is of the order of 100 Watts by square meter. It is counted on an approved project of implementation of this device in a marginalized community of the state of Michoacán to reduce the extraction of resources timber. Palabras claves: Cocina solar, Concentrador Parabólico Compuesto de revolución, potencia de cocción, modelo semiempirico. INTRODUCCIÓN. Se define como cocina solar todo dispositivo capaz de trasformar la energía del sol en poder calorífico para cocinar alimentos. El objetivo primordial, del estudio, fue establecer una cocina solar como estrategia energética sustentable para reducir el consumo de combustibles convencionales y de la extracción de recursos maderables. El primer paso fue establecer el diseño sobre el cual se trabajaría para la construcción del dispositivo solar. Una vez construido el prototipo con mejores características térmicas se daría paso a la implementación de éste en alguna comunidad marginada del estado de Michoacán.

CONCENTRADOR PARABÓLICO COMPUESTO DE REVOLUCIÓN. Un Concentrador Parabólico Compuesto (CPC) es un medio eficiente de concentración solar muy utilizado desde hace varios años. Aunque en diversos casos se ha empleado solo en dos dimensiones como canal parabólico compuesto, son escasas las aplicaciones de ésta herramienta de concentración en tres dimensiones. Como lo han demostrado algunas aplicaciones (Senthilkumar et al: 2009) el CPC en 3 dimensiones tiene una mejor eficiencia óptica y térmica que el CPC en 2 dimisiones. Razón suficiente para considerar la construcción una cocina solar con características CPC de revolución. Para ello se tomo en cuenta el Concentrador Parabólico Multicompuesto (Figura 1) usado por Rincón en 2002 para la construcción de su horno solar tolokatzin. Dispositivo construido con base en la óptica de no imagen.

Figura 1. Concentrador Parabólico Multicompuesto.

La idea de construir una cocina solar con base en un CPC de revolución estriba en la necesidad de proporcionar un prototipo totalmente funcional, económico y accesible a toda la población, como estrategia para reducir el consumo de gas LP y la extracción de recursos maderables, además de proponer un medio de concentración distintos a los utilizados en cocinas solares (González-Avilés. et al., 2012a) . Proceso de Construcción de la cocina solar CPC de revolución. El primer prototipo se realizo para corroborar y dar inicio a un modelo semiempirico (González-Avilés. et al 2012b), del comportamiento térmico de una cocina solar CPC de revolución. La construcción inició elaborando 12 secciones de acero al carbón (solera), de ½ in, se unieron estableciendo un CPC de revolución (360°) sostenido por un aro del mismo material que le proporcionó mayor estabilidad (Figura 2), además, por las características del metal se facilitó su construcción desde el inicio hasta el final. La estructura quedo ideal para adiciones metálicas posteriores.

A la estructura se le adhirió reflectores, lámina de acero inoxidable tipo espejo, para poder operar mediante el funcionamiento de concentración solar, en el punto focal del CPC se colocó un soporte para incluir un recipiente color negro de aluminio (olla), que fuera capaz de almacenar lo alimentos y cocerlos durante el proceso de concentración solar en el día. Asimismo se incorporó una base-tripie para sostener el dispositivo y , en lo sucesivo, hacerlo más práctico para el usuario. Al prototipo (Figua 3) se denomino Cocina Solar 1 (CS1), su funcionamiento permitió alcanzar en laboratorio, con lámparas de 400 watts simulando la radiación solar siguiendo un diseño experimental similar al descrito por Passamai (2007), pero corregido de algunas inconsistencias (Gonzálz-Avilés, et. al, 2012b) temperaturas en pruebas estándar de calentamiento de agua de 70 grados en dos horas en el fluido y en la base del recipiente temperaturas de 200 grados. El costo promedio de la CS1 fue de 500 pesos. Los resultados, aunque esperados, eran poco favorables si se deseaba establecer una cocina solar para distintas latitudes con diferentes características climáticas. Era obvio que las perdidas de transferencia de calor por conducción, convección y radiación podían aminorar aun más la eficiencia de la CS1. Razón por la cual se hizo necesario proporcionarle aditamentos necesarios para elevar su rendimiento térmico y, por ende, hacerla más funcional en materia de cocción solar. Aislante de poliuretano fue ideal para aminorar perdidas por conducción y convección y proponer una cocina solar tipo horno, este material se coloco en la parte trasera del CPC de revolución, directamente sobre la estructura y reflectores, para poder hacerlo más resistente a la intemperie se adiciono una cubierta sobre el aislante de impermeabilizante color terracota. Asimismo las pérdidas de trasferencia de calor por convección se reducirían, aun más, al colocarle una tapa de acrílico en lo que representa el área de captación, la parte superior del dispositivo (Figura 4). El

recipiente fue una olla de aluminio de 2 litros, a la cuál se le cubrió de color negro para aumentar su absortancia. A este prototipo se le denominó Cocina Solar 2 (CS2).Para evitar mayor incertidumbre las pruebas de calentamiento de agua estándar se realizaron en campo obteniendo resultados mucho más favorables que la CS1. Se alcanzaron temperaturas de 95 °C en 90 minutos y dentro del horno temperaturas del 30 °C. La CS2 (Figura 5) represento un modelo de cocina solar, en apariencia adecuado para implementarse en cualquier latitud, evadiendo los principales problemas de pérdidas de trasferencia de calor por convección. El costo aproximado de la CS2 fue de 850 pesos. El problema ahora era incluir un recipiente mucho más grande, que pudiera abastecer de alimentos a una familia promedio de 5 personas. Eso implicaba tener que ampliar el área de captación solar, e incrementar el factor de concentración. No podía quedar irrelevante la problemática, atendiendo al objetivo primordial de la investigación, por ello se decidió continuar con el trabajo de construcción de un nuevo prototipo que mejorara a la CS2. Para aumentar el área de captación se decidió incluir alas exteriores, retomando la estructura intacta de la CS1, y prolongando el CPC con dichas alas. Se colocaron tres alas semicirculares, plegables para facilitar su uso y traslado, de acero al carbón al igual que la estructura del CPC de revolución con reflectores de la misma lámina. Con lo anterior el uso de este nuevo dispositivo debía ser más eficiente. Del mismo modo se construyó una base con un mecanismo de inclinación y llantas para la orientación solar. La base se diseño para darle estabilidad al prototipo, por ello se considero tubo de acero cédula 40. Al incrementar el área de captación se desechó la idea de continuar con aislante de poliuretano, y para no incrementar el costo se abandonó también la idea de la tapa de acrílico. Sin embargo, se sustituyó la olla común por una olla exprés de 5 litros de capacidad color negro. El dispositivo incremento considerablemente su costo, pero su funcionalidad también fue

Figura 2. Estructura alámbrica de CPC de Revolución

Figura 3. Cocina Solar 1 (CS1).

Figura 4. Cocina con aislante de poliuretano y tapa de acrílico

Figura 5. Cocina Solar 2 (CS2)

mejor que la CS2, ahora su costo promedio resultara de 1600 pesos, sin considerar mano de obra. Este prototipo recibió el nombre de Cocina Solar “Jorhejpatarnskua” (Figura 6), del purépecha, que significa “´para cocer con el sol”, desde ahora CSJ. La CSJ resultó un dispositivo totalmente funcional, en pruebas estándar de calentamiento de agua, con capacidad máxima en la olla exprés, alcanzó temperaturas de 100 grados en 150 minutos, superando por mucho a la CS1 y CS2, considerando la mayor capacidad del recipiente. Potencia de cocción y cocimiento de alimentos. La potencia de cocción es la herramienta comparativa entre dispositivos de cocción solar. Se ha empleado en diversas cocinas solares para ser referente de funcionalidad y punto comparativo con prototipos posteriores y análisis térmicos de dispositivos de esta naturaleza. Similar a la metodología usada por Passamai en 2007, para realizar el análisis térmico de una cocina solar de pequeñas dimisiones, se realizaron pruebas estándar de calentamiento de agua (Funk, 1999), en las CS2 y CSJ en campo, con medición de la radiación solar. La CS2 obtuvo una potencia de cocción de 47.8 watts y una misma estandarizada de 34.2 watts. Análogamente la CSJ obtuvo una potencia de cocción y potencia de cocción estandarizada de 135 watts y 95.1 watts respectivamente. Lo anterior pone en evidencia la superioridad de la CSJ, entre los prototipos anteriores, asimismo en comparación con la cocina solar KIN PIB 11 cuya potencia de cocción estandarizada resultó de 19 watts, misma que fue empleada años anteriores en México para la cocción de alimentos a través de un programa universitario en la península de Yucatán, la CSJ sugiere una mejor funcionalidad. En pruebas recientes de cocción solar de alimentos la CS2 logró la cocción idónea de verduras (Figura 7) y semillas como lenteja. Aunque la CS2 se limita, como se mencionó antes, a una

1Cocina Solar desarrollada por la Universidad del Caribe y la

Universidad de Quintana Roo en 2007.

capacidad de cocción de alimentos muy pequeña su cocción solar es aceptable. A pesar de la favorable cocción de la CS2 con los anteriores alimentos, la cocción de carne resultaba complicada, atendiendo a ello la CSJ logró sin dificultad la cocción de carnes y semillas como el frijol (Figura 8), por sus mejores características de potencia de cocción y funcionalidad, resulto ser el prototipo digno de catalogarse como una Cocina Solar para implementación. Implementación de la Cocina Solar Jorhejpatarnskua.Teniendo como base la CSJ como el prototipo con mejores características de cocción solar, se decidió iniciar con el proyecto implementación en alguna comunidad marginada del estado de Michoacán, como estrategia para mitigar la extracción de recursos maderables y reducir el consumo de combustibles convencionales.

El Programa de Mejoramiento al Profesorado (PROMEP) a través del proyecto “Implementación de ecotecnologías en comunidades indígenas como estrategia para la conservación de los recursos forestales”,(González-Avilés, 2011c) proporcionó el financiamiento necesario para implementar 50 prototipos de la CSJ, mismos que ahora se encuentran en el proceso final de construcción (Figura 9). La Comunidad seleccionada es “Santa fe de la laguna”, comunidad indígena marginada ubicada en la rivera del lago de Pátzcuaro, perteneciente al municipio de Quiroga. En estos momentos no solo se trabaja con la construcción de las CSJ’s, paralelamente se realiza una evaluación de consumo de recursos forestales, indicador que servirá para seleccionar a los beneficiarios con base en su consumo de recurso maderable, ingresos económicos e integrantes por familia. Posterior a la selección de beneficiarios, durante tres semanas se impartirá a éstos una capacitación de uso, mantenimiento y cocción solar. En

Figura 6. Cocina Solar Jorhejpatarnskua (CSJ)

Figura 7. Cocción de papas y lentejas en la CS2

Figura 8. Cocción de pollo en la CSJ.

agosto del año en curso se realizará la implementación de las Cocinas Solares. Así pues, por medio del programa de Conservación Comunitaria de la Biodiversidad (COINBIO), programa de la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) y la Secretaría de Urbanismo y Medio Ambiente (SUMA) del estado de Michoacán, se aprobó el proyecto “Implementación de cocinas solares Jorhejpatarnskua en Santa fe de la laguna”, mismo que contempla la implementación de 25 prototipos adicionales. Proyecto del cual se espera la liberación de recursos financieros para ponerlo en marcha. RESULTADOS El proceso de construcción de una cocina solar CPC de revolución se logró con el establecimiento de la CSJ, sin embargo para lugares más calurosos y con menor número de integrantes, promedio por familia, es posible implementar la CS1 y CS2, dicho lo anterior a continuación se muestra una tabla de resultados de las cocinas solares construidas:

Características CS1 CS2 CSJ Potencia de cocción Estandarizada (w)

X

34.2

95.1

Área de captación ( )

0.43

0.43

0.83

Capacidad de cocción (litros)

2

2 5

Costo neto (MN) 600 1500 1700 Temperaturas alcanzadas en el fluido (°C)

80

95

115

En la prueba de tiempo-temperatura la CS2 obtuvo los resultados que se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Relación tiempo-Temperatura de la CS2

La CS2 alcanzó una temperatura de 95 °C, con una capacidad de 1.2 litros, con una radiación promedio de 934.93 . En cambio, la temperatura alcanzada por la CSJ fue de 96 °C, con un volumen de 5 litros, y una radiación promedio de 1009.14

medición, en ambos casos, realizada por una estación meteorológica inalámbrica “Vantage Pro2”. Los datos de la CSJ se ilustran en la Tabla 2.

Tabla 2. Relación tiempo-Temperatura de la CSJ.

CONCLUSIONES.

• El prototipo idóneo para la cocción solar, según las pruebas de calentamiento de agua, los criterios de funcionalidad y capacidad de cocción de alimentos es la CSJ..

• Los proyectos aprobados están en marcha y se espera la aceptación de los dispositivos de manera adecuada y que su uso reduzca, considerablemente, el uso de combustibles convencionales y la extracción de recursos maderables.

• Como sugerencia queda abierta la posibilidad de monitorear constantemente el uso de las cocinas solares implementadas y, en lo sucesivo, realizar una evaluación de la sustentabilidad energética de estos proyectos.

Figura 9. Construcción, parcial, de CSJ.

REFERENCIAS

Cuevas, J. La Cocina Solar: una opción de ahorro de energía para Quintana Roo. Universidad de Quintana Roo y Universidad del Caribe, Quintana Roo 2007. Funk, p. Evaluating the international Standard procedure for testing solar cookers and reporting performance. Solar Energy, vol. 68, n 1. Pergamon. U.S.A 1999. González-Avilés, M., López Sosa, L.B., Pérez Córdova, D.J., , González-Pérez, D., Villa-López, A. y Servín-Campuzano, H. “Desarrollo de la cocina solar Jorhejpataranskua”, 2012a, en preparación González-Avilés, M., Servín-Campuzano, H., López Sosa, L.B., y Pérez Córdova, D.J. “Modelo térmico semiempírico para estimar la potencia de cocción y las figuras de mérito de cocinas solares”, 2012b, en preparación González-Avilés, M., “Implementación de ecotecnologías en comunidades indígenas como estrategia para la conservación de los recursos forestales”, 2011c, proyecto presentado, evaluado y aprobado por el Programa de Mejoramiento del Profesorado (PROMEP)

Passamai, V. Física Térmica de una Cocina Solar de Pequeñas Dimensiones. Avances en Energías Renovable y Medio Ambiente, Vol. 11. Salta, Argentina, 2007.

Rincón E. A. Cocinas Solares a la Vanguardia. ANES. México, 2008.

Senthilkumar, S, Perumal K and SSrinivasan P S.“Optical and thermal performance of a three-dimensional compound parabolic concentrator for spherical absorber”, SadhanaVol. 34, Part 3, 2009, pp. 369–380.