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Introducción
La energía de cocción representa un elevado consumo energético en muchos países del mundo [1]. La madera es muy usada como combustible para cocinar en los países africanos, constituyendo esta la principal causa de la deforestación en esta área. La deforestación ha provocado una grave escasez de leña en muchas partes del país. Mujeres en zonas rurales se ven obligadas a caminar largas distancias con cargas pesadas de leña para lograr la cocción del alimento diario. El empleo de la radiación solar para cocinar es potencialmente viable para la preparación de alimentos en la mayor parte del mundo en desarrollo [2, 3, 4]. La energía solar es una fuente de energía abundante, limpia ysegura y constituye un atractivo sustituto de los combustibles convencionales.
La cocina solar representa una vía alternativa para lograr la cocción de los alimentos. Diferentes tipos de cocinas solares se han desarrollado y probado en diferentes investigaciones. Recientemente ha habido un interés considerable en el diseño y desarrollo de varios tipos de cocina solar. Básicamente las cocinas solares se dividen en tres tipos: Cocinas solar parabólicas, cocinas solar tipo caja y cocinas solar tipo panel.
La cocina solar tipo de caja se basa en una caja de doble pared aislada con cubierta de vidrio simple o múltiple. Este tipo de cocinas depende del efecto invernadero en el que el acristalamiento transparente permite el paso de las longitudes de onda más cortas de radiación solar. En la cámara de cocción se emplean generalmente espejos o láminas de aluminio pulido para reflejar más la radiación solar.
Por otro lado, las cocinas solar parabólicas son cocinas de concentración directa con un reflector tipo plato que dirige la mayor parte de los rayos solares interceptados radiación a un punto de enfoque. Los concentradores tipo plato requieren luz solar directa para funcionar y debe orientarse con frecuencia hacia el sol. Las cocinas solar de panel o cocina combinada, incorpora elementos de cocinas tipo caja y parabólicas. Sin embargo, su estructura no es tan robusta como la de tipo caja, y no es posible cocinar tanta comida a la vez como en las cocinas parabólicas [5].
Cuba se encuentra en el extremo noroeste de las Antillas. En ella se cuenta aproximadamente con 13 horas de sol, contando desde su salida hasta la puesta de sol en esta estación del año para el municipio de Santiago de Cuba [6]. La salida del sol ocurre a las 6:42 AM aproximadamente y la puesta ocurre sobre las 9:32 PM siendo la intensidad de la radiación de aproximadamente 6,1 kWh / m² al día [7] que es suficiente para proporcionar la energía adecuada para la energía solar térmica y sus aplicaciones.
En este estudio se construye y evalúa una cocina solar tipo caja a partir de un procedimiento de prueba estándar y se realizan comparaciones con los resultados obtenidos por otros investigadores en este tipo de equipos para evaluar las posibilidades de la cocina solar construida.
Métodos y Materiales
Este estudio se realizó en la ciudad de Santiago de Cuba en la provincia de Santiago de Cuba, Cuba ubicada específicamente en las coordenadas 20°01’17.42” N, 75°49’45.75” O y altitud promedio de 82 m sobre el nivel del mar.
La cocina solar tipo caja construida consta de cinco componentes: Caja de madera (1), como contenedor con espesor de 5 mm. Material Reflectante (2), que cubre completamente todo el interior de la caja, para reflejar la radiación hacia el recipiente de cocción (para este efecto fue empleado la parte interna de latas de cerveza), Cubierta transparente (3), permite la entrada de los rayos solares y evita las pérdidas por convección, Material aislante (4), para el aislamiento térmico del interior de la cocina y placa absorbente (5). Sobre este último elemento se ubica el depósito de agua como se muestra en la figura 1.
Los procedimientos seguidos para evaluar el rendimiento de la energía solar están enfocados en determinar el tiempo necesario para un calentamiento sensible de una cantidad conocida de agua o el tiempo necesario para el calentamiento de la placa de estancamiento a una temperatura determinada en pruebas sin carga. Tomando como base esta idea fueelaborado un procedimiento de prueba estándar para cocinas solares. El mismo ha sido propuesto y probado por diferentes investigadores [8, 9]. Mediante este procedimiento debe determinarse la temperatura de estancamiento (sin carga) y el comportamiento de una masa conocida de agua. Este método establece una relación térmica entre tiempo y valores de potencia y eficiencia, valores de potencia y eficiencia. De la misma forma permite obtener el comportamiento de la temperatura, la eficiencia,y la potencia generada en por la cocina.El enfoque supone que la cubierta transparente tiene una transmisión óptica buena y lacocina tiene un bajo factor de pérdidas globales de calor.
En este trabajo es empleado este método para evaluar el rendimiento térmico de la cocina solar tipo caja y consistió en realizar medidas de la temperatura de placa absorbente de la cocina, de la temperatura ambiente y de la temperatura del agua durante un tiempo de exposición, se considera como carga un litro de agua destilada.
Los experimentos se llevaron a cabo al aire libre durante el mes de septiembre de 2021, desde las 11:00 AM hasta las 7:00 PM. Fueron utilizados diferentes tipos de termómetros calibrados (termoresistencia, infrarrojo y de mercurio) para medir la temperatura de la placa absorbente, la temperatura del agua y la temperatura ambiente, respectivamente. para medir la masa de agua y un cronómetro para determinar el tiempo de exposición. Los parámetros fueron medidos y registrados con un intervalo de 30 minutos. Los datos fueron utilizados para determinar el comportamiento de la cocina solar construida.
Eficiencia térmica general
La eficiencia térmica general se calculó siguiendo la ecuación (1) [10].
(1)
Donde:
n u |
Eficiencia Térmica Global (%). |
M f |
Masa del fluido (kg). |
C f |
Calor especifico del fluido de cocción (J/kgK). |
ΔT f |
Diferencia de temperatura entre la máxima temperatura obtenida y la temperatura del aire ambiente (0C). |
I av |
Intensidad solar promedio durante el intervalo de tiempo (W/m2). |
A c |
Área de la cocina solar (m2). |
Δt |
Tiempo requerido para alcanzar la máxima temperatura en el fluido de trabajo (s). |
Potencia de cocción
La potencia de cocción de las diferentes cocinas solares fue calculada usando la ecuación propuesta por Kundapur y Sudhir en 2009 [11], ecuación (2):
(2)
Resultados y Discusión
En la tabla 1 se presenta un ejemplo del registro de las temperaturas obtenidas durante los experimentos realizados durante el periodo de ensayos. La masa de agua empleada en todos los experimentos fue de 1 kg
Tabla 1 Registro de los valores de temperatura obtenidos durante los ensayos experimentales. Fuente: autores
| Temperatura ambiente (0C) | Temperatura de la placa absorbente (0C) | Temperatura del agua (0C) | Tiempo de exposición (horas) | Hora |
|---|---|---|---|---|
| 28,3 | 28,8 | 28,8 | 0 | 11:00 |
| 28,5 | 39,7 | 31,3 | 0,5 | 11:30 |
| 28,6 | 44,1 | 35,0 | 1,0 | 12:00 |
| 29,1 | 53,2 | 42,8 | 1,5 | 12:30 |
| 29,1 | 56,4 | 46,1 | 2,0 | 13:00 |
| 29,1 | 64,9 | 59,4 | 2,5 | 13:30 |
| 29,2 | 78,0 | 68,3 | 3,0 | 14:00 |
| 29,3 | 81,1 | 74,1 | 3,5 | 14:30 |
| 29,3 | 99,6 | 77,2 | 4,0 | 15:00 |
| 29,4 | 110,7 | 87,2 | 4,5 | 15:30 |
| 29,4 | 126,3 | 86,8 | 5,0 | 15:00 |
| 29,5 | 119,8 | 80,5 | 5,5 | 16:30 |
| 29,5 | 101,6 | 74,9 | 6,0 | 17:00 |
| 29,5 | 97,5 | 69,4 | 6,5 | 17:30 |
| 29,3 | 96,5 | 68,1 | 7,0 | 18:00 |
| 28,9 | 95,2 | 66,8 | 7,5 | 18:30 |
A partir de los todos datos experimentales obtenidos se realizó un proceso de cribado de datos hasta obtener los valores más frecuentes en el periodo en que se realizaron los ensayos. A partir de estos valores se obtuvo el comportamiento de la temperatura y la eficiencia de la cocina solar construida. Las figuras 2 y 3 muestran este comportamiento a lo largo del tiempo de radiación solar considerada.
La figura 2 muestra el comportamiento de la temperatura de la masa de agua en el interior de la cocina solar tipo caja construida en este trabajo en un día de experimentos. Se puede observar que a partir de las cuatro horas de exposición se obtienen los valores de temperatura más elevados, con un descenso relativo de pendiente suave a partir de las seis horas y media.
El comportamiento de la eficiencia de la cocina solar tipo caja construida en este trabajo se puede apreciar en la figura 3. Se puede observar que los valores de eficiencia obtenidos superan el 60 % a partir de las 3 horas y media de exposición, llegando a 74 % a las cinco horas y media. Se observa que a medida que aumenta la exposición aumenta la eficiencia, alcanzando los valores más elevados de eficiencia entre las cuatro y las seis horas, con un descenso a partir de las seis horas y media.
Fuente: autoresFig. 3 Comportamiento de la eficiencia alcanzada por la cocina solar construida para el estudio.
Las curvas de ajuste polinomial y las ecuaciones obtenidas demuestran que es posible realizar un diseño que pueda prever con determinado grado de certidumbre las temperaturas a alcanzar en la masa del agua y la eficiencia de la cocina en su explotación.
La figura 4 muestra el comportamiento comparativo de la cocina solar tipo caja construida para el estudio. El valor de potencia obtenido (37,78 W), es superior a las cocinas tipo caja (21,1 W) y panel (12,9 W) utilizadas empleadas como comparación [4 ], quedando solo por debajo solo de la cocina parabólica (51,9 W).
Fuente: autoresFig. 4 Valores de potencia de la cocina solar experimental respecto a otros autores [2].
Consideraciones económicas
Para complementar la evaluación desarrollada se determinó la cantidad de combustible ahorrado en un año de funcionamiento de esta cocina solar. Esta evaluación se realiza de manera comparativa a partir del empleo de determinados combustibles empleados en la cocción de alimentos y su poder calórico.
La vida estimada de esta cocina solar es de 15 años. Al analizar la duración de las horas del sol en Santiago de Cuba, se ha determinado que una cocina solar será capaz de cocinar por un tiempo superior a las ocho (8) horas durante aproximadamente 254 días [12]. Esto permitiría realizar ambas comidas del día a partir de luz solar. Como promedio existen 67 días en Santiago de Cuba donde las horas de sol están entre 6 y 7 h/día. En estos días se considera que solo podrá confeccionarse una comida diaria en la cocina solar.
La energía para cocinar por persona, es de aproximadamente 900 kJ de combustible equivalente por comida [11]. La cocina solar construida es capaz de cocinar para cinco (5) personas, y no consume otro combustible durante la cocción de los alimentos. Por lo tanto, ahorrará 4,5 MJ de energía por comida y 2 889 MJ de energía por año.
A partir de estas consideraciones es posible estimar la cantidad de combustible ahorrado en un año de funcionamiento de esta cocina, a partir del empleo de determinados combustibles empleados en la cocción de alimentos a partir del poder calórico de inferior [13]. La tabla 2 que se presenta a continuación expone un estimado del ahorro que sería posible obtener al emplear este medio de cocción.
Tabla 2 Valores del poder calórico y ahorro anual estimado de combustible por el empleo de la cocina solar. Fuente: autores
| Combustibles considerados | Poder Calórico de Inferior (kW-h/kg) | Ahorro de combustible (kg) |
|---|---|---|
| GLP | 12,75 | 62,82 |
| Carbón vegetal | 4,41 | 181,78 |
Como se puede observar el ahorro de combustible superaría los 150 kg de carbón, siendo superior a 60 kg en caso del empleo del GLP como combustible.
Un elemento no despreciable a considerar es que la cocina solar construida emplea como superficies reflectantes la parte interior de las latas vacíasde refresco y cerveza, a partir del proceso de reciclaje. Este elemento permitiría el ahorro en la inversión de material reflectante con la consecuente disminución del impacto medioambiental. Por otro lado su empleo en áreas rurales podría significar un ahorro importante en la elaboración de alimento animal en granjas rurales con impacto en las producciones agrícolas y la reducción considerable de la liberación del CO2 al medio ambiente.
Los resultados de los experimentos desarrollados hacen evidente que el diseño de la cocina solar construida a partir de materiales de desecho, contiene elementos de alto valor, ya se obtienen niveles de eficiencia similar, a los de las cocinas solares que se toman como referencia. El empleo del aluminio pulido obtenido de las latas de cerveza ya consumidas, brinda un modo de aprovechar un tipo de los residuos que, en muchas partes del mundo, constituyen un problema de difícil solución.
El reciclaje que se promueve a partir de estos resultados, permitiría disminuir el consumo de materias primas, reduciendo por tanto la contaminación del aire y del agua, y el impacto las emisiones de gases de efecto invernadero.
Conclusiones
Los resultados obtenidos mostraron que la potencia obtenida en la cocina solar construida fue de 37, 78 W, con valores de eficiencia que superan el 60 % a partir de las 3 horas y media de exposición.Las comparaciones desarrolladas evidencian que la cocina solar tipo caja construida con elementos reciclados, presenta niveles de potencia y eficiencia similares a otras desarrolladas para este fin. El análisis económico que complementa el estudio demostró que la cocina solar tipo caja permite un ahorro estimado de más de 150 kg de carbón vegetal ó 60 kg de GLP, en dependencia del combustible empleado en la cocción de alimentos. Las consideraciones expuestas permiten observar sus posibilidades de ser extendida, colaborando de manera importante en el ahorro de portadores energéticos y en la protección del medio ambiente.
