DISEOS DE COCINAS SOLARES PARA LA APLICACIN EN SECTORES

RURALES DEL ECUADOR. Delgado,E 1; Peralta,J 2;Barriga,A 3,Guerrero,V.

Facultad de Ingeniera en Mecnica y Ciencias de la Produccin

1 Ing. Mecnica FIMCP ESPOL eadelgad@espol.edu.ec 2 FIMCP ESPOL jperal@espol.edu.ec

3 Ph.D Profesor principal FIMCP ESPOL abarriga@espol.edu.ec 4 Ph.D Profesor principal Mecanica EPN , guerrero@server.epn.edu.ec

RESUMEN En nuestro pas la falta de recursos tecnolgicos en los sectores rurales obligan a buscar y desarrollar sistemas, mecanismos y equipos que ayuden a mejorar la situacin econmica, social y el bienestar general de la poblacin. El presente proyecto de investigacin esta siendo ejecutado actualmente con financiamiento de FUNDACYT PIC-210, el cual se trata en el diseo y construccin de equipos que trabajen usando radiacin solar (cocina Solar), conociendo inicialmente las condiciones climatologcas, coordinadas ( longitud y latitud) de un punto del pas; adems se evalu y selecciono diferentes tipos de materiales que estn en capacidad de cumplir con las mejores caractersticas y propiedades termodinmicas (absorber y acumular por mayor tiempo la energa calorfica generada por la radiacin solar a travs de un acumular de calor); Permitiendo una mayor eficiencia en la coccin de los alimentos al lograr temperatura mayores a los 100C. ; Y conjuntamente que la fabricacin de la misma sea de bajo costo. De esta manera contribuiremos en una parte para el beneficio de la comunidad rural.

Abstract

In our country the lack of technological resources in the rural sectors they force to look for and to develop systems, mechanisms and equipment that helps to improve the economic situation, social and the general well-being of the population. The present project of investigation this being executed at the moment with financing of FUNDACYT PIC-210, which it treats in the design and construction of equipment that works using solar radiation (it cooks To pave), knowing the conditions initially climatologic, coordinated ( length and latitude) of a point of the country; in addition it evaluated and I select different types from materials that are in capacity to fulfill the best characteristics and thermodynamic properties (to absorb and to accumulate by greater time the calorific energy generated by the solar radiation through accumulating of heat); Allowing to a greater efficiency in the baking of greater foods when obtaining temperature to 100C. ; And jointly that the manufacture of the same one is of low cost. This way we will contribute in a part for the benefit of the rural community. Palabras claves: radiacin, acumulador, cocina, isohelias.

INTRODUCCION Siendo el Ecuador un pas con gran potencial energtico sostenible y al estar ubicado geogrficamente en el centro de la tierra; Tiene la ventaja de abracar zonas en que la energa solar puede tener buena perspectivas de aplicacin por su alta radiacin, fluctuando entre los 1000 2000 Wat.h/ m2 da. Las zonas de mayor isohelias se encuentran localizadas en las provincias de Pichincha, Imbabura, Caar, Chimborazo, Loja, Esmeraldas, Manab, Guayas y las Islas Galpagos 1. La energa solar es un tipo de energa limpia y renovable por lo cual se recomienda su uso a nivel mundial.

Figura 1. Isohelias Anuales del Ecuador INE Los objetivos principales de esta investigacin son: 9 Identificar un diseo ptimo de

cocinas solares acorde a las exigencias ambientales, a las caractersticas geogrficas,

tcnicas, econmicas y sociales en nuestro medio.

9 Fomentar la aplicacin de la

energa limpia o renovable. 9 Establecer eficiencias trmicas de

cocinas solares en base a los diseos optimizados.

Dentro de las cocinas solares las ms conocida y de fcil construccin son las de tipo caja u horno, que es una cmara aislada con un cubierta en la parte superior a travs de la que penetra la radiacin que es absorbida por un cuerpo negro convirtindose en energa calorfica, usando un cierto numero de espejos planos o un reflector parablico. Dentro de nuestra investigacin se busca desarrollar modelos que puedan mejorar las condiciones de funcionamiento trmico y ptico (reflexin y refraccin) a travs de una correcta seleccin de los materiales (vidrio, espejos, aluminio, cobre, madera, aislantes, etc.). Las prdidas trmicas en la coccin de un alimento ocurren por vapor que abandonan al alimento, conveccin desde la superficie del recipiente, conduccin a travs de la parte inferior del recipiente a la placa absorbente y radiacin entre las cubiertas (vidrio) y el ambiente. Pero la mayor perdida de calor se presenta a la evaporacin del agua. MATERIALES Las superficies receptoras de las cocinas solares se suelen hacer de chapa metlica, de hierro, cobre o aluminio, para obtener una buena conductividad. Se ennegrecen con pintura negra para absorber la radiacin transmita su calor a el fluido. Para reducir las prdidas calorficas y elevar la temperatura de trabajo del cajn se utiliza dos lminas de vidrios encima de la superficie receptora, creando un recipiente hermtico. As mismo para evitar prdidas se utiliza lana de vidrio en las paredes del colector.

METODOS 1. Altura solar o ngulo de elevacin Como se conoce la tierra tiene una breve inclinacin con respecto al plano del Ecuador con un ngulo de 2345' y ello hace que sobre un punto determinado de la Tierra los rayos del Sol caigan unas veces ms perpendicularmente que en otros y, por lo tanto, que la radiacin incidente sobre la misma sea diferente. La Tierra recibe en el exterior de su atmsfera una constante solar de Gc = 1,367 W/m2, y cuyo valor flucta en un 3% debido a la variacin peridica de la distancia entre la Tierra y el Sol. Para calcular la radiacin solar incidente sobre una superficie que tiene una determinada inclinacin y orientacin, es necesario definir algunos parmetros, trminos y ecuaciones utilizadas para la regin costa y sierra: 1.1 Parmetros Punto de localizacin Costa (ESPOL) Latitud = 20845.99 sur Longitud = 795751.096 Oeste Altura = 110.036 metros

Figura 2. Mapa de localizacin de Guayaquil Punto de localizacin Sierra (EPN) Latitud = 0200.10 Longitud = 784500

Figura 3. Mapa de localizacin de Quito

1.2 Trminos y ecuaciones - Declinacin solar del da : Es la posicin angular del Sol al medioda solar, respecto al plano del Ecuador terrestre; el valor de este ngulo se suele tomar cada da al medioda solar

+=365

)284(360sin45.23 n Ecuacin 1.1 Donde n es da medio del mes n = 17, 47, 75,105, etc. - ngulo Zenital s; es el ngulo que forma la radiacin directa del Sol y la vertical del lugar, en un punto cualquiera de la Tierra. Este ngulo vara continuamente a lo largo del da ( 15, 30 45, 60 90). - El ngulo horario ; es el desplazamiento angular del Sol, respecto al medioda, que es el instante en que el Sol se encuentra ms alto en el cielo y se corresponde con un ngulo cenital solar mnimo, es decir, con un ngulo horario igual a 0. Cada hora es igual a 15 de longitud, tomando un valor (+) por las maanas y (-) por las tardes. - La altura solar o ngulo de elevacin ; por encima del horizonte es importante por que a mayores alturas solares, la radiacin recorre una distancia ms corta al atravesar la atmsfera, mientras que para alturas solares ms bajas, la radiacin procedente del Sol es forzada a recorrer una masa de aire mucho mayor, m > 1. Cos z = sin = sin .sin + cos . cos . cos Ecuacin 1.2

Figura 4. ngulo de elevacin

- El ngulo azimutal o posicin del Sol , es el ngulo que forma la componente horizontal de la radiacin solar directa, con la direccin Norte-Sur, en el hemisferio norte.

.sin..cos.cossin = Ecuacin 1.3

Figura 5. Situacin espacial de diversos ngulos 2. Balance energtico Mediante un balance energtico se puede hallar la distribucin de la energa solar incidente sobre la cocina, su transformacin en energa til y las prdidas trmicas. A I0 k s sp = Q u + q prdidas + q almacenada A rea de superficie del colector, k factor de conversin de la radiacin (difusa y directa),

Transmitancia solar efectiva de la cubierta del colector

Absortancia solar de la placa absorbente del colector

Calor til que se transfiere al fluido

Cantidad de calor perdido desde la placa absorbente del colector al medio exterior, tanto por conveccin, conduccin y radiacin.

Energa almacenada en el colector

2.1 Perdidas de calor Las perdidas se puede obtener en funcin del coeficiente global de transmisin de calor Uc , del rea del colector A, y de diferencias de temperatura entre la placa y la temperatura ambiente.

Siendo:

Ecuacin 2.1 Para el anlisis trmico de la cocina se pueden considerar las siguientes condiciones: - Esta trmicamente aislado, estado estable - No existe diferencia de temperatura entre la superficie inferior y superior de la placa - El flujo de calor por las cubiertas y el fondo del colector es unidimensional - La energa incidente es uniforme en todo el colector - El cielo se puede considerar como una fuente trmica equivalente a un cuerpo negro La distribucin de temperaturas sobre el colector se puede representar mediante el circuito trmico.

Figura 6. Circuito trmico equivalente del colector

paredesfondoerficieC UUUU ++= sup

432154321

111

ppppc RRRRRRRRR

U ++++++++= Perdidas entre la placa a la cubierta 2 qperd (p-2) =

322)2()2()2( ))(( R

TTTThhAq ppprpcpperd

=+=

)(1

)2()2(

2)2(

+

=prpc

ppperd

hhA

TTq

Donde;

LkNhc uLp.

)2( = , para placas horizontal con flujo de calor ascendente

104

Figura 7. Acumuladores de calor 2.4 Eficiencia trmica La eficiencia del colector se obtiene de la siguiente forma:

3. Incidencia y reflexin Para buscar la mayor refraccin entre el aire y las placas de vidrio se opto en buscar un mejor ngulo en las aletas utilizando el mtodo ptico geomtrico. Una vez calculad el ngulo de inclinacin o elevacin de la cocina solar se procede a estimar las posiciones de los paneles de reflexin solar los cuales tiene como funcin desviar los rayos de luz a la placa de vidrio en un ngulo determinado, el cual se caracteriza por permitir los valores de reflectancia baja, que significa que a menor valores de esta parmetro es mejor el rendimiento trmico del coleccin de la placa de vidrio por el aumento de la transmitancia. Donde;

1=++ art t transmitancia r reflectancia a absortancia , Los cuales estn en funcin de la longitud de onda, del ngulo de incidencia de la radiacin, del ndice de refraccin y del coeficiente de extincin del material.

RESULTADOS 1) Se obtuvo la posicin angular del

Sol al medioda solar, respecto al plano del Ecuador terrestre; para ciertos das intermedios del ao, estos se presenta a continuacin:

n SENO ( a) 31

-0,75830581

-17,78227121

59 -

0,36972454 -

8,67004053190 0,15430882 3,618541845120 0,62204675 14,58699625151 0,93383723 21,89848302181 0,98867759 23,18448949211 0,78564986 18,4234891 242 0,36171373 8,482186986

272 -0,1457992 -

3,418991168

302 -0,6152846 -

14,42842387

332 -

0,92429072 -

21,67461744 2) Evaluando una determinada posicin tanto en la costa como en la sierra se obtuvo el ngulo de elevacin de estos dos posiciones. Con un ngulo horario de 0, 30, 90 se obtuvo los siguientes resultados. Latitud = 20845.99 sur (Guayaquil-ESPOL)

Angulo de Elevacin

70,1916288 79,3038595 88,4075582 77,4391037 70,127617

68,8416105 73,6026109 83,543913

84,5549088 73,5454761 66,2992826

GU

AY

AQ

UIL

64,8205556

MEDIA 75,0565104 ELEVA 14,9434896

Latitud = 0200.10 ( Quito-EPN)

Angulo de Elevacin

71,8843688 80,9965995 86,7148182 75,7463637 68,434877

67,1488705 71,9098709 81,851173

86,2476488 75,2382161 67,9920226

QU

ITO

66,5132956

MEDIA 75,0565104 ELEVA 14,9434896

3) Para obtener mayor transmisivilidad entre los vidrios se estableci que el espesor de los mismos sean entre 3 mm. -5 mm, con una separacin de separados entre 10-20mm para minimizar la circulacin del aire entre ellas y reducir las perdidas por conveccin y radiacin; obteniendo los siguiente resultados. Vidrio 2 Vidrio 1

hr4 h4 4,8114 0,086196

6,4629421 0,089511 6,7233746 0,0915 6,8466881 0,092495 6,8784075 0,09349 6,8784075 0,094053

Cuya perdida de calor es de 14.8 W 4) La eficiencia de los diseos de las Cocina solares obtenidos hasta el momento estn alrededor entre el 72% al 86.75 %. DISCUSIN El desarrollo de metodologa para el clculo de los ngulos de inclinacin tanto de las placas reflectoras como de la estructura misma de la cocina

permitir evaluar el desarrollo de prototipo que sea mas eficientes en el proceso de captacin y permanencia de calor (radiacin solar) durante los periodos de coccin y utilizacin de la mismo. CONCLUSIONES - Se pudo determinar que si existe

una variacin de la latitud entre 0 y 3.4 el ngulo de elevacin permanece a 15 , por consiguiente se puede concluir que para cualquier punto del ecuador cuya latitud varia entre 0 y 3 el ngulo de inclinacin es el mismo.

- Las perdidas de calor por conveccin

crecen muy rpidamente con la velocidad de viento y con la diferencia de temperatura entre el receptor y el aire.

- Las perdidas por radiaciones crecen

con la cuarta potencia de la temperatura, por tanto se vuelven muy grandes a altas temperatura.

- La cubierta doble transparente de

vidrio con mnimo contenido de hierro reduce las prdidas de calor por radiacin y conveccin, obteniendo una absorcin de la radiacin solar hasta el 6 por ciento.

- La absorcin depende del espesor

del cristal, para conseguir gran transmisividad el cristal debe ser delgado como sea posible con la resistencia mecnica.

- Este tipo de cocina permite aportar

al ahorro no solo energtico y econmico de las familias que habitan en sectores rurales y son de muy escasos recursos

BIBLIOGRAFIA 1) INE; Geografa Energetica del Ecuador; Tomo II, Corporacin andina de fomento. Ecuador, 1982. 2) FARRINGTON, DANIEL.; uso directo de la energia solar, Quinta edicin.H BLUME, Espaa, 1980

3) INCROPERA, FRANK P; DEWITT, DAVID P. Fundamentos de transferencia de calor. Cuarta Edicin. PRENTICE HALL, Mxico, 1999. 4) IAER, SODEAN; Texto refundido de las especificaciones tcnicas de diseo y montaje de instalaciones solares trmicas; Noviembre 1999. 5) FERNANDEZ DEZ, PEDRO; procesos termosolares en baja, media y alta temperatura; Universidad de Cantabria, Espaa. 6) HOWELL,JACK;Cooking with the Sun, III Edicin, Halacy, USA, 1992