Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 9, pp. 7 - 14, 2001 . Impreso en la Argentina. ISSN 0328-932X

ASADES

PRIMEROS ENSAYOS DE 2 COCINAS SOLARES CON COLECTOR CPC-TUBO DE CALOR Wildor Maldonado Carbajal* 1 , Manuel Collares-Pereira**, J. Farinha Mendes** *Centro de Energías Renovables de la Universidad Nacional de Ingeniería, (CER-UNI) Apartado 100 - 1301 Lima 25 - Perú **INETI-DER, Az. Dos Lameiros 1649-038 Lisboa Portugal RESUMEN - En este trabajo se presenta el desarrollo de 2 cocinas solares, una con almacenamiento de energía y la otra de entrega directa de energía a las ollas de cocción. A diferencia de las cocinas solares convencionales, éstas entregan energía a las ollas en un lugar distinto del punto de captación de la energía solar. Esta característica da la posibilidad que se puedan diseñar cocinas solares en las cuales la cocción se realice dentro del hogar. En el diseño de las cocinas se utilizaron 2 tecnologías que en sus categorías tienen las mayores eficiencias de funcionamiento. El primero de ellos el colector CPC, que tiene la máxima concentración ideal, utilizado para captar la energía solar. El segundo denominado tubo de calor (Heat Pipe), utilizado para transportar la energía captada en el colector CPC hacia la olla de cocción o un almacenamiento de energía. Los resultados de las pruebas experimentales nos demuestran que se pueden construir cocinas de este tipo con mejores comportamientos frente a los modelos convencionales tipo caja . 1. INTRODUCCION En la mayoría de las culturas, la cocción de alimentos generalmente es realizada dentro del hogar, pero casi todas las cocinas solares conocidas hasta ahora requieren ser usadas fuera a exposición directa de los rayos solares. Para que estas cocinas solares estén más de acorde con las costumbres también deberían dar la posibilidad de que la cocción se realice dentro del hogar. Por otro lado las personas se acostumbraron a cocinar con combustibles capaces de suministrar potencias importantes a los recipientes de cocción, algo que es difícil de concretar con los sistemas de baja concentración más tradicionales. Además realizar la cocción en la noche, requiere una solución de acumulación de energía solar captada durante el día. Con las últimas ideas en mente, se hizo un esfuerzo para estudiar y proponer soluciones basadas en tecnologías actuales y lograrlos eficientemente. Para esto utilizamos 2 tecnologías que en sus categorías tienen las mayores eficiencias de funcionamiento. El primero de ellos el colector CPC (Welford y Winston, 1989), que tiene la máxima concentración ideal, utilizado para captar la energía solar. El segundo denominado tubo de calor (Heat Pipe) (Chi, 1976), utilizado para transportar la energía captada en el colector CPC hacia la olla de cocción o un almacenamiento de energía. Es precisamente el tubo de calor que daría la posibilidad, que la entrega de energía a las ollas pueda realizarse a una distancia alejada del colector CPC (dentro del hogar). Se presenta el desarrollo de 2 cocinas solares desarrolladas en el INETI (Instituto Nacional de Engenharia e Tecnologia 1

Industrial) de Lisboa-Portugal, diferenciándose básicamente una de la otra, porque la primera tiene almacenamiento de energía calentando aceite térmico, para su posterior entrega a la olla de cocción, y la segunda es de entrega directa de energía a la olla de cocción. Con cocinas de este tipo se eliminan algunos problemas para el usuario de cocinas solares más tradicionales como son: a) el reflejo de los rayos solares hacia los ojos, especialmente de los concentradores, b) insolación por permanecer largo tiempo bajo los rayos del sol, recuperando la posibilidad de cocinar dentro del hogar. Como parte del estudio experimental se presenta los primeros resultados del funcionamiento de cada cocina. El trabajo esta organizado de la siguiente forma: - En 2. se presenta las ideas para la concepción de las cocinas - En 3. se presenta los detalles de construcción de las cocinas - En 4. se presenta las pruebas experimentales realizadas - En 5. se presenta las conclusiones - En REFERENCIAS se presenta la bibliografía utilizada 2. CONCEPCION DE LA COCINA. Tanto el colector CPC como el tubo de calor tienen que interactuar mutuamente, por tal motivo el receptor del colector CPC y el evaporador del tubo de calor se confunden formando un mismo elemento. Para fines del presente trabajo las cocinas solares se han dividido en 3 partes principales (ver figura 1):

Con una bolsa de estudios del Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED) Para contactar con el autor, email [email protected] y [email protected]

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1. Colector CPC 2. Tubo de calor 3. Hornilla

Una característica muy importante de los colectores CPC, es su capacidad de permanecer estático durante largo tiempo y seguir captando radiación solar eficientemente.

Como se puede apreciar, la hornilla (donde se posará la olla de cocción) está separada del colector CPC mediante un tubo que puede tener una longitud tal, que llegue hasta dentro del hogar.

El colector CPC esta cubierto con mica transparente por la parte superior y aislado con lana de vidrio por los demás lados. Como superficie reflectora son utilizadas planchas de aluminio pulido, ver figura 2.

La hornilla de la primera cocina al mismo tiempo sirve como recipiente de aceite térmico. La hornilla de la segunda cocina es simplemente una placa metálica plana.

Para una mejor captación de energía solar a lo largo de todo el año, el colector CPC debe estar inclinado respecto a la horizontal un ángulo igual a la latitud del lugar donde será instalado, para nuestro caso igual a 38º (latitud de LisboaPortugal).

Hornilla

2.2. Tubo de calor

Tubo de calor Colector CPC

1-a

1-b

Fig. 1. Esquema conceptual de las 2 cocinas del presente trabajo. a) cocina con almacenamiento de energía, b) cocina de entrega directa de energía 2.1. Colector CPC Fue desarrollado a partir de un colector CPC en 2 dimensiones con receptor triangular (Welford y Winston, 1989). El inconveniente de este colector ideal radica en el contacto entre el receptor y el reflector, que provocaría un deterioro prematuro del reflector por las altas temperaturas alcanzadas en el receptor. Para evitar este inconveniente se ha reemplazado el receptor triangular por un tubo con aletas en “V”, ver figura 2.

Es un sistema cerrado que en su interior contiene un fluido de trabajo. Tiene como fin principal transportar la energía solar captada en el colector CPC, hacia el almacenamiento para su uso posterior o hacia la placa metálica para su uso inmediato. En la figura 3-a se muestra las 3 partes principales del más simple en su clase, denominado tipo termosifón con el condensador a una altura mayor que el evaporador (no tiene estructura capilar) (Chi, 1976; Farinha, 1988). Dentro del tubo de calor tiene lugar la evaporación del fluido en el evaporador absorbiendo gran cantidad de energía (aprovecha el calor latente del cambio de fase), dirigiéndose por diferencia de densidad hacia el condensador, donde se condensa entregando su energía, este condensado retorna por gravedad hacia el evaporador repitiéndose el ciclo continuamente. A partir de este modelo desarrollamos un tubo de calor adaptado a nuestro prototipo (ver figura 3-b).

Cubierta simple Reflector

Receptor

Aislante

3-a Partes del tubo de calor 1.

Hornilla Cavidad para posar la olla de cocción

Condensador

2. Tubo adiabático

Fig. 2. Corte transversal esquemático del colector CPC mostrando sus características principales Teniendo definido la configuración del colector CPC, se procede a seleccionar su ángulo de aceptación (2θ) (Welford y Winston, 1989). El colector CPC debería captar la energía solar por un periodo de tiempo suficiente como para realizar una cocción sin requerir reorientación. Se sabe que el tiempo promedio para realizar la cocción es de aproximadamente 2 horas y, que el sol gira respecto a la tierra a 15º/hora, por lo tanto, se escogió un ángulo de aceptación de 2θ=28º para cumplir este requisito. Fue truncado eliminando la parte superior de los espejos que aportan muy poco a la captación. Como resultado de la truncatura se obtuvo un factor de concentración de C=3, que garantiza que el colector CPC trabajará a temperaturas superiores a 100 ºC.

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3.

Evaporador

A

Aceite térmico A A-A

Nivel del agua 38º

3-b

Fig. 3. a) esquema básico de un tubo de calor tipo termosifón vertical e inclinado, b) esquema de la cocina con almacenamiento mostrando el tubo de calor con sus 3 partes principales adaptadas al prototipo

El tubo de calor tipo termosifón es el más simple y fácil de construir (Farinha, 1988), por lo tanto, tiene menores costos de fabricación. Para temperaturas de trabajo en el rango de 0–200 ºC que es nuestro caso, el fluido de trabajo más apropiado es el agua, compatible con tubos de cobre (Dunn y Reay, 1978). El nivel de potencia que puede transportar un tubo de calor depende entre otros: a) de su inclinación respecto a la horizontal, alcanzando los valores máximos en el rango de 30-60º (Kobayachi et al., 1984), para nuestro caso como ya se mencionó, esta inclinación es de 38º, b) de la cantidad de agua que tiene en su interior, que puede ser medido como porcentaje respecto al volumen total del evaporador, teniendo valores óptimos en el rango de 20-50% (Nguyen et al., 1979; Nguyen et al., 1981). Es preferible que la cantidad de agua sea la menor, para que la inercia y el tiempo de arranque hasta un estado estable también sea menor. En este trabajo se usaron 2 volúmenes de agua: primero de 50% (75 g) en la mayoría de los experimentos, y después de 30% (50 g) en algunos experimentos para comprobar la relativa insensibilidad a esta variación dentro del rango mencionado más arriba. 2.2.1. El evaporador. Viene a ser también el receptor del colector CPC, está constituido por un tubo de cobre con aletas cubierto con una composición selectiva para mejorar la captación de los rayos solares. 2.2.2. El tubo adiabático. Es un tubo aislado que permite el flujo de vapor y condensado entre el evaporador y el condensador. Según sea su longitud puede ser posible llevar la hornilla dentro del hogar, pero esta longitud tiene un límite por las pérdidas que sufre del vapor. 2.2.3. El condensador. Formado por 6 tubos paralelos (ver figura 4). Se encuentra dentro de la hornilla en contacto con el aceite térmico para la cocina con almacenamiento y, soldada a una placa metálica para la otra.

Concentración truncado (prototipo) 3.0 Altura 340 mm Ancho 390 mm Longitud 1800 mm Aislamiento (lana de vidrio) 1” de esp. λ = 0.032 W/mºC Cubierta mica de 5 mm de esp. (τ = 0.85) Espejo (pl. aluminio) 0.4 mm de esp. (ρ = 0.87) Tubo de calor Fluido Volumen de agua Nivel de agua dentro del evaporador

agua 75 cm3 50%

Evaporador Material cobre Sección en “V” invertido, aleta a 60º Diám. interior 10 mm Espesor 0.75 mm Longitud de cada aleta 28 mm Longitud 1835 mm Revestimiento selectivo 0.10< ε