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El Concentrador Solar

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  • 1. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE TABASCO DIVISIÓN DE PROCESOS DE PRODUCCIÓN TRABAJO RECEPCIONAL “EL CONCENTRADOR SOLAR COMO MEDIDA ALTERNATIVA DE UN HORNO” QUE PRESENTA PARA OBTENER EL TITULO DE TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MANTENIMIENTO INDUSTRIAL BIBIANA DEL CARMEN HERNÁNDEZ HERNÁNDEZ MATRÍCULA: 420810044 EMPRESA: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE TABASCO ASESOR EMPRESARIAL LIC. BRUNO EHUAN PINO ASESOR ACADEMICO ING. ANA EDITH PALOMINO VERGARA PARRILLA, CENTRO, TABASCO AGOSTO, 2010
  • 2. AGRADECIMIENTOS A DIOS: Por darme la oportunidad de la vida y brindarme la voluntad para poder desarrollarme y crecer como persona, siempre aprendiendo algo nuevo cada día en el mundo que él ha creado. A MI FAMILIA: Por ser el sustento y mi fuerza para seguir adelante, por la confianza que han depositado en mí, y por el profundo cariño y apoyo que agradezco jamás me ha faltado por su parte, el cual me impulsa a querer seguir superándome. A MIS ASESORES Y MAESTROS: Porque han creído en mí y se han esforzado bastante en tratar de guiarme y enseñarme correctamente. También, por el apoyo y la preocupación que me han demostrado, pidiendo que de lo mejor de mí en cada cosa que realizo y nunca me de por vencida. Y en general, al resto de personas que han contribuido de una u otra manera a mi crecimiento como ser humano, siempre ofreciéndome su ayuda y consejo en todo momento. GRACIAS. I
  • 3. INTRODUCCIÓN El presente trabajo tiene como finalidad la difusión de los usos y ventajas que tiene el uso de la energía solar en nuestro país, México, que cuenta con altos índices de insolación. Se desglosa así en el documento la información relacionada a lo que son los concentradores solares, enfocándose más específicamente en su aplicación como el horno solar. El trabajo está divido en 3 capítulos, de los cuales, en el primero se presenta un marco general y breve (marco metodológico), que contiene las generalidades del área en donde se efectúa el proyecto, la definición del mismo así como los antecedentes y la justificación de su desarrollo. También incluye los objetivos que se pretenden lograr, el alcance que tendrá el proyecto, el impacto y la metodología que se siguió para la elaboración de esta investigación. Se anexa de igual manera un cronograma de trabajo, donde se muestra la planeación de tiempo llevada a cabo. En el segundo capítulo, que es el marco teórico, se profundiza acerca del tema de la energía solar. Se comienza por introducir su definición así como sus ventajas, desventajas, antecedentes, entre otros. Habiendo desarrollado esa parte, se continúa con el tema de los concentradores solares; de allí se desprende más adelante su aplicación en cuanto a los hornos solares, que es el punto fundamental en esta investigación. Posteriormente, este apartado se cierra con el tema del potencial de la energía solar en México, donde se explica la conveniencia de aplicar este tipo de tecnología en el país. El tercer y último capítulo es el marco de aplicación, donde se presentan los modelos matemáticos usados para el diseño y estudio del horno solar. Igualmente, se muestra el prototipo realizado para sustentar este proyecto, que es un horno parabólico; el modo de construcción y las pruebas que fueron realizadas con él se encuentran en este apartado también. Finalmente, el proyecto se cierra con la conclusión, las recomendaciones y los anexos; los cuales servirán para declarar los resultados e incluirán información adicional para incitar el estudio de la energía solar, o bien, para una comprensión mejor del trabajo presentado. II
  • 4. Lista de Tablas Pág. Tabla 2.1 Conversiones entre joule, BTU y watt-hora . . 12 Tabla 2.2 Temperaturas consideradas para establecer las tarifas domésticas 42 Tabla 3.1 Medidas para los segmentos de la parábola . 48 . Lista de Gráficas Pág. Gráfica 2.1 BP Statistical Review of World Energy junio 2009 . 20 Gráfica 2.2 Modelo de recursos a futuro . . . 20 Gráfica 3.1 La Ley de Wien . . . 50 Lista de Imágenes Fig. 2.1 El Sol . Pág. . . . 13 . . . 14 Fig. 2.3 Consumo de las diversas fuentes de energía . . 19 Fig. 2.4 El concentrador solar . . . 21 Fig. 2.5 Helióstato Sanlúcar 120 . . . 23 Fig. 2.6 Concentración lineal y puntual . . . 24 Fig. 2.7 Canal parabólico . . . . 25 Fig. 2.8 Tecnología disco Stirling . . . 26 Fig. 2.9 Torre central . . . 26 . . . 27 . 28 Fig. 2.2 Radiación solar . Fig. 2.10 Cocina solar parabólica Fig. 2.11 Horno solar construido por Auguste Mouchot, en 1861 Fig. 2. 12 Hornos solares basados en el principio de acumulación y concentración 32 Fig. 2.13 La cocina solar Mínima . . . 34 Fig. 2.14 Cocina solar plegable . . . 34 Fig. 2.15 Pasteurizador de agua . . . 34 Fig. 2.16 Diseño de Alejandro Diego . . . 34 Fig. 2.17 Cocina de caja abierta . . . 34 . . 35 Fig. 2.18 Cocina de doble posicionamiento (DSPC) Fig. 2.19 Cocina solar DATS . . . 35 Fig. 2.20 Cocina solar paracuina . . . 35 Fig. 2.21 Cocina solar parabólica . . . 35 Fig. 2.22 Global Sun Oven . . . 35 Fig. 2.23 Cocina solar Embudo . . . 35 . . 40 Fig. 2.24 Radiación Solar Media (Primavera) III
  • 5. Lista de Imágenes Pág. Fig. 2.25 Radiación Solar Media (Verano) . . . 40 Fig. 2.26 Comida hecha en una cocina solar . . . 43 Fig. 2.27 Proyecto de hornos solares en Nazareno . . 43 Fig. 3.1 Parábola – distancia focal = f . . . 45 Fig. 3.2 Plano del disco y secciones . . . 46 Fig. 3.3 Vista superior de una sección . . . 46 Fig. 3.4 Marcación de los segmentos . . . 47 Fig. 3.5 Longitudes de onda y sus respectivos colores . . 51 Fig. 3.6 Antena parabólica Sky . . . 52 Fig. 3.7 Vidrio cortado . . . . 52 Fig. 3.8 Trípode . . . . 53 Fig. 3.9 Muesca . . . . 53 Fig. 3.10 Soporte superior . . . . 53 Fig. 3.11 Argolla . . . . 53 Fig. 3.12 Muestra del ángulo de 45° . . . 54 Fig. 3.13 Muestra del ángulo de 120° . . . 54 Fig. 3.14 Parte trasera pintada . . . . 54 Fig. 3.15 Brazos pintados . . . . 54 Fig. 3.16 Horno sin pintar . . . . 55 Fig. 3.17 Horno pintado de negro . . . 55 Fig. 3.18 Huevo estrellado . . . . 56 Fig. 3.19 Mezcla del omelette . . . . 57 Fig. 3.20 Torta de huevo . . . . 57 Fig. 3.21 Omelette cocinándose en el horno solar . . 57 Fig. 3.22 Salchichas comenzando a cocinarse . . . 58 Fig. 3.23 Salchichas listas . . . . 58 Fig. 3.24 Manzanas frescas . . . . 60 Fig. 3.25 Muestras de cocción . . . . 60 Fig. 3.26 Manzanas asadas . . . . 60 Fig. 3.27 Papas frescas . . . . 61 Fig. 3.28 Papas cocidas . . . . 61 IV
  • 6. Lista de Anexos Pág. A. Características de los grandes hornos solares de un solo helióstato . 68 B. Características de los grandes hornos solares de helióstatos múltiples . 70 C. Resumen de especificaciones técnicas de algunas cocinas solares comerciales 72 D. Potencia total entregada por el Sol en diversos casos de condiciones atmosféricas 73 E. Radiación solar media (Primavera) . . . 74 F. Radiación solar media (Verano) . . . 74 G. Radiación solar mundial . . . 75 . . 75 . H. Concentrador solar aplicado en forma de horno V
  • 7. ÍNDICE Agradecimientos . . . . I Introducción . . . . II Lista de Tablas . . . . III Lista de Gráficas . . . . III Lista de Imágenes . . . . III Lista de Anexos . . . . V Contenido . . . . VI . . 1 CAPITULO I. MARCO METODOLÓGICO 1.1 Generalidades de la empresa y área donde se desarrollará el proyecto 2 1.2 Definición del Proyecto . . . 3 1.3 Antecedentes y justificación del proyecto . . 4 1.4 Objetivos . . . . 5 1.5 Alcance del proyecto . . . 6 1.6 Impacto del proyecto . . . 7 1.7 Metodología de trabajo para abordar la solución y/o desarrollo del proyecto 8 1.8 Cronograma de actividades . . . 9 CAPITULO II. MARCO TEÓRICO . . 10 2.1 Energía solar . . 11 2.1.1 Concepciones de la energía . . 11 2.1.2 Principios de la energía solar . . 13 2.1.3 Antecedentes . . . 15 2.1.4 Conversión de la energía . . . 16 2.1.5 Ventajas y desventajas de la energía solar . 17 2.1.6 Principales problemas de aplicación . . 18 2.1.7 Crisis energética . . . 19 . . . 21 2.2.1 Definición . . . 21 2.2.2 Antecedentes históricos . . . 22 2.2.3 La energía termosolar . . . 23 . 2.2 El concentrador solar . VI
  • 8. 2.2.4 Tipos de concentradores solares 2.3 El horno solar . . 25 . . . . 27 2.3.1 Definición . . . . 27 2.3.2 Antecedentes . . . 27 2.3.3 Aplicaciones . . . 30 2.3.4 Fundamentos del horno solar . . 31 2.3.5 Tipos de hornos solares . . . 32 2.3.6 Crisis de la leña . . . 36 2.3.7 Efecto invernadero . . . 37 2.3.8 Cultura y energía del sol . . . 38 . . . 39 2.5.1 Potencial en México . . . 39 2.5.2 Tarifas eléctricas . . . 40 2.5 La energía solar en México 2.5.3 La necesidad en las comunidades de bajos recursos o con fallas eléctricas . . . . 42 CAPITULO III. MARCO DE APLICACIÓN . . 44 3.1 Principios matemáticos . . . 39 3.1.1 La parábola . . . 39 3.1.2 Potencia emitida . . . 49 3.1.3 Longitud de onda . . . 50 3.2 Construcción del horno solar parabólico . . 52 3.3 Pruebas sobre la cocción de alimentos . . 55 3.3.1 Horno solar al mínimo . . . 55 3.3.2 Horno solar mejorado . . . 59 Conclusiones . . . . 62 Recomendaciones . . . . 63 Referencias bibliográficas . . . 64 Anexos . . . 68 . VII
  • 9. CAPITULO I MARCO METODOLÓGICO
  • 10. 1.1 Generalidades de la empresa y área donde se desarrollará el proyecto La Universidad Tecnológica de Tabasco (UTT) es un organismo público descentralizado orientado a la enseñanza en el nivel Superior. Dicha institución ofrece tanto los títulos de TSU (Técnico Superior Universitario) como el de Ingeniero, en once y cinco carreras respectivamente. Nacida del análisis de los modelos educativos de países como Francia, Japón, Estados Unidos, Gran Bretaña y Alemania; la UTT es creada en el año de 1996 por acuerdo de la Secretaría de Educación Pública y el Gobierno del Estado, incorporándose así al Sistema Nacional de Universidades Tecnológicas que cuenta ya con 60 instituciones de su tipo, de distintas regiones de nuestro país; todas ellas adaptadas a los requerimientos de los sectores productivos de cada región, con los cuales se vincula para lograr que sus estudiantes cumplan satisfactoriamente las necesidades de formación académica y de desarrollo profesional. OBJETIVO: Desarrollar la educación universitaria tecnológica, mediante la ejecución de acciones académicas y de vinculación con el sector productivo de bienes y servicios, que promuevan el desarrollo del individuo y de la sociedad. MISIÓN: Formar profesionistas integrales con ética y compromiso social, aptos para afrontar con eficiencia las oportunidades socio-productivas que la región presente. VISIÓN: Ser una universidad reconocida por su liderazgo en la formación integral de personas útiles al crecimiento de la región. Comprometida con el desempeño profesional de sus egresados. Que entiende y atiende las necesidades del desarrollo sustentable del estado y la región. POLÍTICA DE CALIDAD: Lograr la excelencia en cada una de las actividades de la institución, asumiendo la comunidad universitaria el compromiso de mejora continua, y así lograr la plena satisfacción de nuestros clientes y el reconocimiento de la sociedad. 1 UBICACIÓN: Carretera Villahermosa-Teapa Km. 14.6, s/n. Fracc. Parrilla II, Parrilla, Centro, Tabasco. Tel. 01 993 358 22 22 / Fax 3 58 22 23 Lada sin costo 01 800 10 882 22 1 Portal de la Universidad Tecnológica de Tabasco. Información general, <http://www.uttab.edu.mx/pages/informacion/index.htm> [Consulta: 5 Jul. 2010]. [en línea]. Dirección URL: 2
  • 11. 1.2 Definición del Proyecto Durante los últimos años los problemas relacionados a la contaminación del medio ambiente han visto un considerable aumento, lo cual ha causado diversos efectos negativos no sólo en la vida del planeta, sino en la calidad de vida del ser humano. La iniciativa del proyecto “El concentrador solar, con aplicación en el Horno Solar” ha sido tomada al hacer una consideración superficial del visible índice de crecimiento de la población, así como las áreas o sitios remotos en cuyo caso la energía eléctrica es poco asequible o estable; es por ello que al ser una de las necesidades primarias del ser humano el alimentarse, se propone en este presente trabajo la construcción y/o utilización de los hornos solares como método alternativo. Es importante destacar que nuestro país, México, tiene como una de sus características principales un clima seco y templado; esto favorece enormemente la aplicación del proyecto al tener una continua y fuerte presencia de fuente de energía solar, con lo que se logrará de igual manera una reducción de los contaminantes liberados por los hornos eléctricos. Del mismo modo cabe mencionar que debido a la variedad de hornos solares existentes, hay una gran capacidad de adaptación respecto al medio donde serán instalados, las necesidades que han de cubrir, los materiales que les componen para protección contra condiciones climáticas y el número de personas a las cuales darán abasto. 3
  • 12. 1.3 Antecedentes y justificación del proyecto “El uso doméstico de los hornos solares nos permite hacer un ahorro energético, ya que disminuye el consumo de leña, gas licuado de petróleo o electricidad y la inversión es recuperada a corto plazo.” 2 Cada año que transcurre en México, “el consumo eléctrico aumenta alrededor de un 3.9%; asimismo, las tarifas del costo de la electricidad se ven incrementadas conforme el paso del tiempo.” 3 La alternativa de los hornos solares es opción sustentable y asequible, sobre todo para las zonas que son de bajo recursos o cuya ubicación es muy alejada de las grandes ciudades. Cabe señalar también que: “[…] las temperaturas moderadas que se alcanzan en los hornos solares permiten a los alimentos conservar sus propiedades alimenticias con mayor calidad que la que se logra en hornos y estufas convencionales, y debido al rango de temperaturas que se logra en dichos dispositivos y la manera en que éstos se hallan construidos, se disminuye el riesgo de incendio y accidentes durante su utilización.” 4 Hay que tomar en cuenta que uno de los problemas más sobresalientes en la actualidad, es el calentamiento global de la Tierra y “la contaminación por emisión de hidrocarburos formados por Hidrógeno y Oxígeno; lo que en combinación con otros elementos resulta en metano y 5 dióxido de carbono, cuyas propiedades son mantener el calor de un lugar” , y en este caso, el de la Tierra, originando así el denominado “Efecto Invernadero”. 2 O. A. Jaramillo y J. A. del Río. Diseño de un horno solar, Centro de Investigación en Energía UNAM, [en línea]. Temixco, Morelos, México. Dirección URL: <http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar15/HTML/articulo05.htm> [Consulta: 5 Jul. 2010]. 3 Sala de Prensa del Gobierno Federal. El consumo energético por iluminación en México, [en línea]. Secretaría de Energía. Ciudad de México, martes 5 de enero de 2010. Dirección URL: <http://presidencia.gob.mx/prensa/?contenido=51799> [Consulta: 5 Jul. 2010]. 4 Jaramillo, Río, Op. Cit. 5 IDEM. 4
  • 13. 1.4 Objetivos Objetivo general: Demostrar la utilidad y eficiencia energética del horno solar a través de la construcción de un prototipo experimental, para que sea una alternativa al horno convencional en comunidades remotas o con frecuentes fallas en la red eléctrica. Objetivos específicos:  Construir un prototipo para exponer las ventajas y características del uso del concentrador solar como un horno.  Apoyar a las comunidades alejadas de la urbe o con bajos recursos por medio de los hornos solares, para que así puedan obtener una mejor calidad en los nutrimentos de los alimentos durante su cocción.  Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero que repercuten en el medio ambiente al promover la cultura de la economía solar y ecológica. 5
  • 14. 1.5. Alcance del proyecto Realizar un prototipo de concentrador solar, cuya aplicación será orientada a los hornos solares. Tiempo de duración: 14 semanas a partir de la fecha del inicio de la estadía. Costos: Considerando los montos relacionados a fotocopias o impresiones para la investigación durante el desarrollo del estudio, así como los materiales requeridos para la elaboración del prototipo, la cantidad máxima estimada es de unos 750 pesos. Características: La metodología que se utilizará es la ejecución de investigaciones respecto a la eficiencia y aprovechamiento de la energía solar, junto con los resultados obtenidos a través de las pruebas del prototipo del concentrador solar. 6
  • 15. 1.6 Impacto del proyecto Por medio de esta investigación y de la realización del prototipo solar, se espera: Expresión cuantitativa:  Ahorro de 11 kg de leña por día.  Economización del 50% del costo energético mensual (gas, carbón, leña).  Prevención de 1 Tonelada de CO² por año.  Esterilización de 20 litros de agua por día, evitando enfermedades digestivas.  Ahorro de aproximadamente unos 100 árboles en 10 años. Expresión cualitativa:  Mayor contribución al cuidado del medio ambiente.  Compromiso con la cultura de las energías renovables.  Mejor calidad de vida para las comunidades con bajos recursos.  Mejor conservación de los nutrimentos de los alimentos.  Imagen atractiva de los diferentes tipos de hornos solar que existen. 7
  • 16. 1.7 Metodología de trabajo para abordar la solución y/o desarrollo del proyecto La metodología a ocupar como apoyo para el desarrollo del proyecto y su propuesta solución, se obtendrá a partir de la información documental contenida en libros y artículos de revistas especializados; los cuales, tratan el tema de la energía solar como una fuente alternativa de energía. Entre los títulos a utilizar se encuentran: La revista “Epistemus de ciencia, tecnología y salud” de la Universidad de Sonora. Energía y Desarrollo. Pp.65-70; el libro “Tecnología de las energías solar, hidráulica, geotérmica y combustibles químicos” de Douglas M. Coinsidine, 1° edición. Editorial Publicaciones marcombo, S.A. Pp.54-63; el texto “Química ambiental” de Colin Baird, 1° edición. Editorial Reverté S.A. Pp. 179-250; el libro “Ciencias ambientales. Ecología y desarrollo sostenible” de Bernard J. Nebel y Richard T. Wright, 6° edición. Editorial Pearson Educación. Pp. 579-582; la “Guía para el desarrollo de proyectos de generación de electricidad con energía renovable en y para los municipios” de Odón de Buen. Producido y revisado por la Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional, y preparado por Abt Associates, Inc. Pp. 3-103; y finalmente, la “Energía solar fotovoltaica” hecho bajo la coordinación de José Mompín Poblet, 2° edición. Editorial Marcombo, S.A. Pp. 9-16 y 234-240. Posteriormente, esta información será complementada con algunas fuentes fidedignas de Internet que se dedican tanto a la investigación, como al desarrollo y pruebas en lo que respecto a la energía solar y a su uso en los hornos solares. Por último, se procederá tanto a la construcción del prototipo del concentrador solar, así como a la recopilación de los datos obtenidos a través de las pruebas realizadas con él. 8
  • 17. 1.8 Cronograma de actividades CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Mayo Actividad / Temporalidad Junio Julio Semanas Agosto Revisión Promedio Estancia académica (Proyecto NARET) Recopilación de la información Organización de la información Elaboración del Marco Metodológico Revisión de la bibliografía Selección de la bibliografía Redacción del Marco Teórico Redacción del Marco de Aplicación Redacción de los últimos detalles Revisión general del proyecto Entrega final 9
  • 18. CAPITULO II MARCO TEÓRICO 10
  • 19. 2.1 La energía solar Hoy en día, existen diferentes medios por los cuales podemos obtener energía para nuestro uso común; durante los últimos años, se ha popularizado el uso y desarrollo de las fuentes de energías renovables, siendo el motivo principal el obtener una fuente que no se agote ni agrave las condiciones ambientales. Para una mejor comprensión, se iniciará este subcapítulo con algunas definiciones básicas y aspectos relacionados al tema. 2.1.1 Concepciones de la energía “Hay tres elementos centrales en el dimensionamiento de los sistemas energéticos: o la cantidad de energía que se puede obtener de una fuente dada, o la potencia con la que se requiere entregar esa energía y, o la eficiencia con la que puede ser transformada para una aplicación útil.” 6 Cada uno de estos aspectos resulta relevante cuando se considera la planeación e implementación de cualquier sistema que provea energía. De esta manera, tenemos que: o “Energía: Se define como la capacidad para realizar un trabajo. o Trabajo: Producto de una fuerza que empuja ‘algo’ por la distancia que recorre ese ‘algo’.” 7 o “Potencia: Cantidad de trabajo que se efectúa por unidad de tiempo. o Eficiencia: Facultad para hacer algo determinado.” 8 Con estos conceptos podemos entender que, para mover o influir en un objeto tenemos que usar una fuerza; es decir, necesitamos de una energía que pueda proporcionarnos la seguridad de realizar un trabajo. Aquí es donde entra la importancia que se le ha dado desde hace siglos a las fuentes de energía. La energía tiene varias formas, por lo que se nos puede manifestar de distintas maneras. Sin embargo, como la mayoría de las cosas, ésta necesita ser medida para conseguir un mayor y adecuado aprovechamiento; además de que esto también nos permitirá conocer los métodos 6 DE BUEN, Odón. Guía para el desarrollo de proyectos de generación de electricidad con energía renovable en y para los municipios. Producido y revisado por la agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional y preparados por Abt Associates, Inc. México, 2010. p. 100. 7 IDEM. 8 CAMPILLO CUATLI, Héctor. Diccionario Escolar Academia Secundaria. Fernandéz Editores, 1era ed., México, 2002. pp. 205, 443. 11
  • 20. más eficaces en cuanto a su uso. Para tener referencias acerca de las dimensiones de la energía, las cuales son de vital importancia, se presenta a continuación una tabla con las unidades de medida más comunes: Conversiones entre joule, BTU y watt-hora Medida Joule BTU Watt-hora 1 joule 1 0.001 0.0003 1 BTU 1 055 1 0.293 1 watt-hora 3 600 3.41 1 Tabla 2.1 Fuentes: Elaboración propia, con base en datos de (SENER 2008); cfr. Índice de Referencias. 9 A través de estas unidades, se demuestra el rendimiento que tiene la energía en cualquier tipo de proceso que se realice para mejorar la calidad de vida humana (cocción de alimentos, alumbrado público, aparatos electrodomésticos, industrias, entre otros.) Esto nos ayuda a tener referencias palpables cuando medidas como el gramo, el litro o el metro se vuelven inútiles. Se anexan a continuación unas últimas definiciones para facilitar el entendimiento de este trabajo: “Joule: Trabajo realizado por la fuerza de un newton, para un desplazamiento de 1 metro. Un newton pesa, aproximadamente, lo que una manzana pequeña. BTU: Es una unidad de energía inglesa. Es la abreviatura de British Thermal Unit. Un BTU representa, en términos térmicos, la cantidad de energía que se requiere para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit (bajo condiciones atmosféricas normales). Watt-hora: Abreviado Wh, es una medida de energía utilizada, principalmente, para energía eléctrica.” 9 10 De Buen, Op. Cit., p. 101. IDEM. 10 12
  • 21. 2.2.2 Principios de la energía solar “El Sol representa alrededor del 98.6% de la masa del Sistema Solar. La distancia media del Sol a la Tierra es de aproximadamente 149.600.000 de kilómetros, o 92.960.000 millas, y su luz recorre esta distancia en 8 minutos y 19 segundos.” 11 Es fundamental conocer el modo en que nuestra principal fuente de energía, el Sol, interactúa con el medio a su alrededor; una vez que se ha comprendido esto, resulta sencillo aplicar los conocimientos para nuestro beneficio propio, en este caso, el horno solar. “La radiación solar incidente en la Tierra puede aprovecharse por su capacidad para calentar algo (como agua y/o aire), o bien para generar electricidad. La potencia de la radiación varía según la latitud del sitio, el momento del día y las condiciones atmosféricas que la amortiguan. Se puede asumir que en la superficie terrestre, en un día claro, al medio día solar y en un plano normal 1000 W/m².” 12 a los rayos solares, la potencia de la radiación es cercana a los 13 Tenemos entonces que dicha radiación recibirá el nombre de irradiancia. La razón por la que hay un gran interés en la investigación y el desarrollo de la energía solar, es porque el Sol es una fuente de energía renovable; de cuya captura y uso para nuestro provecho, no dará lugar a la emisión de contaminantes como lo harían los combustibles fósiles que ahora utilizamos. Algo importante que hay que mencionar, aunque si bien no corresponde y se profundizará en ello en otro subcapítulo, es la posición ventajosa de México en cuanto a la incidencia de rayos solares. Fig. 2.1 El Sol 14 11 Wikipedia, la Enciclopedia Libre. El Sol, [en línea]. Fecha de actualización: 11 de Julio de 2010. Dirección URL: <http://es.wikipedia.org/wiki/Sol> [Consulta: 12 Jul. 2010]. 12 Un plano normal es aquél en el que el ángulo entre la línea de incidencia de los rayos solares y el plano que los recibe, es de 90 grados. 13 De Buen, Op. Cit., p. 15. 14 INVESMED. Una nueva adicción: Tomar el Sol, [en línea]. Dirección URL: <http://www.invesmed.com/wpcontent/uploads/2007/09/sol.jpg> [Consulta: 12 Jul. 2010]. 13
  • 22. 21 “Actualmente, la Tierra absorbe alrededor de 3000Q (10 Joules) anuales de luz solar, con lo que sólo deberíamos convertir 0,02% de esta cantidad para satisfacer nuestras necesidades (0,5Q).” 15 La mayoría de las cosas en el mundo funcionan, directa o indirectamente, gracias al Sol. Las plantas realizan la fotosíntesis al absorber los rayos solares, los herbívoros absorben una pequeña cantidad al comer las plantas; y a su vez, los carnívoros obtienen esta energía al alimentarse de los herbívoros. Esto representa un ciclo, en donde la energía solar es recibida y “reciclada”, siendo una parte aprovechada por los seres vivos, mientras el resto regresa al espacio para ser reutilizado. “La energía solar procede de las reacciones termonucleares de fusión que ocurren en el Sol, donde se quedan todos los subproductos químicos y radioactivos. La luz que llega a la Tierra va de la ultravioleta –que es bloqueada en gran parte por la capa de ozono- a la visible y la infrarroja (energía térmica). Según un cálculo, sólo 30 días de luz equivalen a la energía de todos los combustibles fósiles del planeta, conocidos o no. Por ejemplo, si toda la energía solar que llega a las áreas pavimentadas de Estados Unidos se aprovechara, bastaría para satisfacer todas las necesidades energéticas del país.” 16 Tomar parte de esta energía no altera el equilibrio energético en el ambiente, puesto que la energía solar que absorben tanto el agua como el suelo se convierte en calor; y como ya se había mencionado anteriormente, éste regresa al lugar de donde vino para continuar su ciclo. Fig. 2.2 Radiación solar 17 15 BAIRD, Colin. Química Ambiental. Editorial Reverté S. A., 1era ed., España, 2004, pp. 247-248. J. NEBEL, Bernard y T. WRIGHT, Richard. Ciencias Ambientales. Energía y Desarrollo sostenible. Editorial Pearson Educación, 6ta ed., México, 1999, p. 580. 17 SANZ, Javier. Radiación solar en el agua, madregea, [en línea]. Fecha de publicación: 1 de Julio de 2008. Dirección URL: <madregea.blogspot.com/2008_07_01_archive.html> [Consulta: 12 Jul. 2010]. 16 14
  • 23. 2.1.3 Antecedentes La utilización de la energía solar viene desde hace bastante tiempo atrás, en la época donde las primeras civilizaciones surgieron en el mundo; las cuales fueron conscientes de la enorme cantidad de energía que el Sol era capaz de proveer. “Los Griegos, son conocidos en la historia por cómo Arquímedes destruyó la flota romana que sitiaba a Siracusa mediante el uso de espejos que concentraron la radiación solar. Luego, Romanos y Griegos supieron utilizar ganancia solar para disminuir cargas térmicas en casas y termas. Además, el conocimiento les sirvió para diseñar ciudades. Gran parte de este conocimiento quedó en los trabajos de Vitrubio. Antes del Siglo XIX se hicieron experimentos en la construcción de fuentes y artefactos que aprovechaban el calor solar. Horace de Saussure hizo trabajos pioneros sobre el efecto invernadero. Además, construyó las primeras cocinas solares en el Siglo XVIII.” 18 No solamente fueron las ventajas las que dieron origen al uso de la energía del Sol, sino también la situación ambiental. Es de conocimiento general que el gran consumo de combustibles fósiles, ha favorecido que la capa de ozono sufra daños; aunado a una deforestación que no ha sido controlada como se debe, la temperatura de la Tierra se ha elevado como consecuencia. Es por ello que la iniciativa de aprovechar un recurso renovable y limpio, además de rentable, como lo es Sol, ha surgido y se ha extendido a través de los años. “Nuestro territorio tiene ubicación privilegiada para la explotación de la Energía Solar, razón por la cual las diferentes administraciones están impulsando ideas que permitan que cualquier persona o empresa interesada, pueda contribuir a la generación de electricidad mediante la energía solar, bien sea fotovoltaica o térmica.” 19 18 Proyecto Explora. Capacitación en energía solar. Apuntes básicos. Energía solar y educación, Corporación de Desarrollo Ecomaipo 2005, [en línea]. Dirección URL:< http://explora.ecomaipo.cl/fichas/solar.pdf> [Consulta: 12 Jul. 2010]. 19 KinSolar Solutions. Antecedentes de la energía solar. Ingeniería solar, [en línea]. Dirección URL: <http://www.kinsolar.es/castellano/antecedentes-energia-solar.php> [Consulta: 12 Jul. 2010]. 15
  • 24. 2.1.4 Conversión de la energía Anteriormente, se habló acerca de la radiación solar que llegaba a la Tierra. Para que la energía proveída por los rayos solares pueda ser utilizada, necesitamos primero conocer los dos tipos de radiación que existen: “Directa. La radiación directa es la que llega del Sol sin reflexiones o refracciones intermedias. Difusa. Es la radiación que es absorbida por la atmósfera en las nubes y el resto de elementos atmosféricos y terrestres, y que es emitida por la bóveda celeste diurna, gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar.” 20 Sin embargo, para poder tener provecho de dicha fuente de energía, es necesario convertir esta última de manera que pueda ser útil; es decir, transformas los rayos del Sol en electricidad. Esto es lo que se como conversión de la energía, la cual bien puede ocurrir por dos mecanismos: “Conversión térmica. La luz solar, especialmente su componente infrarroja, la cual alcanza la mitad de su contenido de energía, es capturada como energía calorífica por algún material absorbente (un ejemplo es una superficie metálica brillante, que se calienta mucho cuando se la expone a la luz solar. Fotoconversión. La absorción de fotones asociados a los componentes ultravioleta, visible e infrarrojo cercano a la luz solar, da lugar a la excitación de electrones del material absorbente a niveles energéticos superiores, promoviendo cambios físicos o químicos (en lugar de provocar una simple disipación de calor).” 21 Si bien la energía fotovoltaica es otra derivación de la utilización de la energía solar, en este proyecto se dará solamente enfoque a lo que es la energía térmica. En este tipo de aplicación, se hace una distinción entre dos sistemas. “El sistema pasivo, que para operar utiliza la intervención no continua o adicional de una fuente de energía (como lo es el uso de cajas solares como cocinas en los países en desarrollo); y el sistema activo, que emplea fuentes adicionales de energía para funcionar (un ejemplo son los calentadores de agua que necesitan de una bomba para obtener impulso).” 22 20 De Buen, Op. Cit., p. 15. Baird, Op. Cit., p. 250. 22 IDEM. 21 16
  • 25. 2.1.5 Ventajas y desventajas de la energía solar En los apartados anteriores, si bien se ha mencionado que algunas de las ventajas del uso de este tipo de energía es el cuidado del medio ambiente y el desarrollo sostenible, tampoco hay que olvidar que uno de los aspectos más positivos es la inversión que se ve recuperada a largo plazo. “Las ventajas de la energía solar son:  Es libre y muy abundante.  Tiene un impacto ambiental bajo.  Sus costes de operación son bajos.  No requieren grandes suministros ni centrales, ni redes de distribución caras.  Tiene aceptación pública como fuente de energía ‘natural’.” 23 Del mismo modo, es importante conocer no sólo el lado bueno, sino también las desventajas a las cuales nos enfrentamos al implementar un sistema que si bien no es nuevo, todavía está comenzando a expandirse por el mundo. Por este mismo motivo, las investigaciones y pruebas relacionadas todavía no son de un número muy considerable, lo que hace factible el hecho de que todavía haya aspectos a mejorar en la tecnología solar. “Las desventajas de la energía solar son:  Su disponibilidad es intermitente y, por tanto, requiere un almacenaje eficiente o la construcción de sistemas de retroceso, con el fin de que el suministro de energía sea continuo.  Es una fuente de energía difusa. Provee una energía de baja densidad por unidad de superficie de captación, con lo que se necesitan grandes áreas para captar energía (en promedio, un kilovatio requiere un metro cuadrado).  Para la construcción del captador de energía y para su almacenaje, se requieren elevados costes de capital; esto contrarresta la naturaleza ’libre’ de la energía durante varios años, hasta que la inversión se recupera.  No recibe ayudas económicas ni créditos en buenas condiciones de los gobiernos que reconozcan el bajo nivel de contaminación y de emisiones de gases invernadero que ocasiona respecto al uso de combustibles fósiles.” 23 24 24 Baird, Op. Cit., p. 257. Baird, Op. Cit., pp. 257-258. 17
  • 26. 2.1.6 Principales problemas de aplicación El problema fundamental es el mismo tanto para le energía fotovoltaica como para la energía térmica. Debido a que esta tecnología apenas ha venido creciendo desde hace unos cuantos años, los materiales de los cuales se dispone para aprovechar la luz solar a gran escala todavía resultan ser de altos costos. “El problema de aprovechar la energía solar radica en que hay que tomar una fuente dispersa –en donde incida de manera uniforme en una vasta área- y concentrarla en las cantidades y formas (como combustible y electricidad) adecuadas. La dificultas es obvia: ¿qué se hace cuando no hay sol? El problema tiene tres aspectos: (1) acopio, (2) conversión y (3) almacenamiento. Asimismo, en el análisis final, superar estos obstáculos debe ser costeable.” 25 Aunado a ello, la implementación de una red que provea energía a ciudades o comunidades, resulta en una inversión considerable; a pesar de que todavía no hay muchos proyectos grandes, la certeza de que el desarrollo de la investigación en esta área logrará hacer a la energía solar aún más rentable que la energía eléctrica algún día, es una inspiración que se ve cada vez más cerca y que motiva a continuar con la construcción de los campos solares. 25 Nebel y Wright, Op. Cit., p. 581. 18
  • 27. 2.1.7 Crisis energética Día a día, la demanda de de energía en todo el mundo aumenta; y teniendo a los combustibles fósiles como nuestra principal fuente de energía, es predecible la crisis que sobrevendrá cuando estos finalmente se agoten. El aumento de la demanda del petróleo, por ejemplo, no podrá seguir el ritmo por dos razones: “1) Su multiplicación por 10 en los países desarrollados durante los últimos 50 años no puede repetirse en todos los países. 2) La dependencia de la energía en los países desarrollados se ha hecho demasiado grande. En el caso de Estados Unidos, hoy es de un 50%. Esta dependencia, así como su contrapartida, que es la acumulación de riqueza en un reducido número de países que poseen yacimientos de petróleo, dan fragilidad a todo el sistema.” 26 Es esencial señalar que aún cuando fuentes como el petróleo, el gas o el carbón sigan existiendo por un largo periodo, conforme éstos se vayan agotando el precio sufrirá un aumento que agravará la economía; además, esto resultará también en una desigualdad de distribución de los recursos energéticos. Anteriormente, había sido señalado por la WARES 27 que dicha crisis ocurriría en el año 1985 ó 2000; aunque todo indica que ésta apenas está iniciando. Fig. 2.3 Consumo de las diversas fuentes de energía 28 26 Energía solar fotovoltaica. Por varios autores bajo la coordinación de José Mompín Poblet, director de la revista “Mundo electrónico”. Editorial Marcombo, S. A., 2da edición, España, 1985, p. 9. 27 Grupo Internacional para otras fuentes de energía. 28 JCP. ¿De dónde nos llega la chispa? Crisis Energética, respuestas a los retos energéticos del SXXI. Aeren Aspo Spain, [en línea]. Dirección URL: <http://www.crisisenergetica.org/index.php?topic=Informes&page=2> [Consulta: 12 Jul. 2010]. 19
  • 28. Conforme la tecnología avanza y crece, se requieren más y más cantidades de energía, especialmente en lo que se refiere al sector industrial; aún cuando existan grandes reservas de fuentes de energía no renovables, no hay que dejar de tomar en cuenta que se debe contar con un respaldo. Ya no sólo para el sustento de la población, sino para tratar de recuperar el equilibrio ecológico que se ha ido deteriorando con el paso del tiempo. Gráfica 2.1 BP Statistical Review of World Energy junio 2009 Gráfica 2.2 Modelo de recursos a futuro 29 30 29 30 IDEM. La demanda energética creció un 1,4% en 2008, la cifra más baja desde 2001. IDEM. Modelando el futuro: recursos energéticos y cambio climático. 20
  • 29. 2.2 El concentrador solar Conociendo de antemano lo primordial acerca de la energía solar, este apartado se centrará en los concentradores solares. Si bien estos últimos tienen una serie de aplicaciones, las cuales se explicarán más adelante, es de importancia el ser conscientes de lo útiles que pueden llegar a ser. 2.2.1 Definición “Los concentradores solares son dispositivos que aumentan la densidad de radiación solar en áreas específicas, buscando mejorar la eficiencia de conversión de calor en el trabajo.” 31 Básicamente, como su nombre lo dice, se encarga de concentrar la energía en un solo punto. El funcionamiento es similar al de una lupa que enfoca la luz en un sitio en específico, logrando de esa manera aumentar lo niveles de la temperatura. Fig. 2.4 El concentrador solar 32 31 CABANILLAS LÓPEZ, Dr. Rafael E. Revista Epistemus. Ciencia, tecnología y salud. Universidad de Sonora, Junio, 2009, No. 6, p. 67. 32 PALACIO ROSAS, Gregorio. La energía solar en el Aula de Tecnología. Revista digital, Consejería de Educación de la Comunidad de Madrid, [en línea]. Dirección URL:<http://www.educa.madrid.org/portal/web/revistadigital/experiencias> [Consulta: 13 Jul. 2010]. 21
  • 30. 2.2.2 Antecedentes históricos Ya se había mencionado anteriormente el caso de Arquímedes, que utilizó varios espejos para formar uno grande y cóncavo, quemando así las naves romanas tal y como una lupa puede quemar hojas. Por supuesto que, también hay más historias donde el concentrador ha demostrado su potencial en el pasado:  “En 1690, en Dresde, Alemania, E. W. Von Tschirnhausen construyó un horno solar con un espejo cóncavo parabólico de 1.6 m de diámetro para cocer el barro utilizado en la producción de objetos de cerámica.  En 1774, el científico inglés Joseph Priestley descubrió el oxígeno (aunque no le dio ese nombre), concentrando los rayos solares sobre lo que llamaba cal de mercurio (hoy óxido de mercurio).  El primer diseño de un colector plano para aprovechar el calor solar fue concebido en la segunda mitad del siglo XVII, por el naturalista suizo Horace de Saussure.” 33 El concentrador solar ha tenido también aplicaciones desde tiempo atrás como un horno solar, ya fuese utilizado para cocción de los alimentos, para fundición de metales o modelado del barro. 33 GALVAN, Jessica, HERNÁNDEZ, Laura et al. El concentrador solar. Froylán Parroquín García, Cuernavaca, [en línea]. Dirección URL: <http://www.acmor.org.mx/cuam/2009/Secund-Ciencia/507-SecFed%20No1ConcentradorSolar.pdf> [Consulta: 13 Jul. 2010]. 22
  • 31. 2.2.3 La energía termosolar La radiación solar que es recibida por la Tierra, puede ser aprovechada a través de su calor, no importa si es de tipo difusa o directa, o bien la suma de ambas (como ya se vio en la sección de la conversión de la energía). “En general, la tecnología termosolar o solar termoeléctrica, está basada en el concepto de la concentración de la radiación solar para producir vapor o aire caliente, que puede posteriormente ser usado para accionar plantas eléctricas convencionales. Es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300 ºC hasta 1000 ºC, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas.” 34 La captación y la concentración de los rayos solares se hacen por medio de espejos que se mueven automáticamente, de manera que siempre siguen al Sol para absorber su energía. A la superficie reflectante y al dispositivo que le orienta, se les denomina helióstato. Fig. 2.5 Helióstato Sanlúcar 120 35 Existen también dos tipos de concentración en cuanto a lo que es la captación de la energía solar: “La concentración puntual y lineal puede aprovechar solamente la radiación directa, y no la difusa, debido a que esta última no puede ser concentrada. La concentración lineal es más fácil de instalar al tener menos grados de libertad, pero tiene un factor de concentración 34 Afinidad eléctrica. Energías alternativas, la energía termosolar, [en línea]. Dirección URL: <http://www.afinidadelectrica.com.ar/articulo.php?IdArticulo=189> [Consulta: 13 Jul. 2010]. 35 Abengoa Solar. Energía solar para un mundo sostenible. Termosolar, [en línea]. Dirección URL: <http://www.solucar.es/corp/web/es/tecnologias/termosolar/tecnologia_propia/heliostato_sanlucar_120/index.html> [Consulta: 13 Jul. 2010]. 23
  • 32. menor; por lo tanto, puede alcanzar menores temperaturas que la tecnología de concentración puntual.” 36 Como sus nombres lo dicen, la concentración puntual es aquella que combina los rayos solares en un solo punto; mientras que la de tipo lineal, a diferencia de la primera, concentra la energía en un solo haz o línea. Fig. 2.6 Concentración lineal y puntual 36 37 37 Afinidad eléctrica, Op.Cit. IDEM. 24
  • 33. 2.2.4 Tipos de concentradores solares Dependiendo de la óptica utilizada para la concentración, se han desarrollado tres tecnologías para la producción de energía eléctrica, las cuales se describirán a continuación. “a) Canal parabólico. Utiliza un reflector de canal cilíndrico parabólico, el cual refleja los rayos solares en el foco de la parábola, que es un tubo con superficie selectiva para absorber la mayor cantidad de radiación incidente y una cubierta de vidrio, para evitar las pérdidas de calor al ambiente por convección.” 38 Este tipo de tecnología no sólo es limpia y madura, sino que cuenta con un historial que demuestra, está preparada para ser llevada a cabo a gran escala. Su funcionamiento se basa en el seguimiento solar. Los componentes que la integran son los siguientes. “El reflector cilindro parabólico: La misión del receptor es reflejar y concentrar sobre el tubo absorbente la radiación solar directa que incide sobre la superficie. La superficie especular se consigue a través de películas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte que le da la suficiente rigidez. En la actualidad, los medios de soporte más utilizados son la chapa metálica, el vidrio y el plástico. El tubo absorbedor: Consta de dos tubos concéntricos separados por una capa de vacío. El interior, por el que circula el fluido que se calienta, es metálico, y el exterior, de cristal. El sistema de seguimiento del sol: El más común consiste en un dispositivo que gira los reflectores cilindro parabólicos del colector alrededor de un eje. La estructura metálica: La misión de la estructura del colector, es dar rigidez al conjunto de elementos que lo componen.” 39 Fig. 2.7 Canal parabólico 40 38 Cabanillas López, Op.Cit., p. 67. Afinidad eléctrica, Op.Cit. 40 IDEM. 39 25
  • 34. La siguiente tecnología para la producción de electricidad es el disco parabólico, también llamado disco Stirling (aunque en ocasiones en lugar de tener un motor Stirling, tiene turbinas). “b) Disco parabólico. Como su nombre lo indica, consiste de una superficie reflectora en forma de disco y la cual enfocada en dirección normal a los rayos solares, los refleja en un área muy pequeña denominada foco. Allí se coloca el receptor, que para aplicaciones de producción de electricidad se instala un motor térmico Stirling. Éste transfiere su energía mecánica a un generador eléctrico acoplado al mismo conjunto. Los principales componentes de un Sistema disco Stirling son el concentrador parabólico, el motor Stirling y el sistema de seguimiento solar.” 41 Fig. 2.8 Tecnología disco Stirling 42 El último tipo de concentrador depende en gran medida de los helióstatos, puesto que son ellos los que le brindarán la energía proveniente del Sol. Su funcionamiento está basado en una torre; en dicha tecnología se puede incorporar el almacenamiento de la energía. “c) Torre Central. Parte del concepto de enviar una gran cantidad de energía a un receptor central fijo. Para lograr esto se utilizan helióstatos, los cuales son dispositivos mecánicos que soportan espejos y que siguen el movimiento solar para reflejar los rayos recibidos a un objetivo fijo, el cual generalmente se encuentra a una altura determinada sobre una torre; de ahí su nombre de torre central.” 43 Fig. 2.9 Torre Central 44 41 Cabanillas López, Op.Cit., p. 67. Afinidad eléctrica, Op.Cit. 43 Cabanillas López, Op.Cit., p. 67. 44 Afinidad eléctrica, Op.Cit. 42 26
  • 35. 2.3 El horno solar Se puede obtener energía de alta temperatura, que sea limpia y no contaminante, directamente del Sol por medio de los hornos solares; los cuales han sido conocidos a través de toda la historia. 2.3.1 Definición “Tales dispositivos en realidad son concentradores solares que utilizan espejos o lentes para captar y concentrar este abundante recurso energético renovable. En los últimos 25 años se han desarrollado los hornos solares hasta el punto de que se pueda determinar su potencial como fuente energética comercial de alta temperatura.” 45 Hoy en día los hornos solares pueden tanto construirse como comprarse a proveedores comerciales, debido a que han tenido un rápido desarrollo; esto ha permitido hacerlos cada vez más económicos para ponerlos al alcance de la gente, a pesar de que todavía hay algunos aspectos que se deben mejorar. Fig. 2.10 Cocina solar parabólica 46 2.3.2 Antecedentes “El primer colector plano para aprovechar el calor solar fue diseñado por Horace de Saussure, un naturalista suizo que experimentó en 1767 con el efecto físico del calentamiento de una caja negra con tapa de vidrio expuesta al Sol. Las experiencias de Saussure son relevantes porque descubrió que, al exponer estas cajas al Sol, la temperatura aumentaba en 45 M. COINSIDINE, Douglas. Redactado por 142 especialistas. Tecnología de las energías solar, hidráulica, geotérmica y combustibles químicos. Editorial Publicaciones Marcombo, S. A., 1era ed., México 1989, p.5-54. Traducción de la obra original Energy Technology Handbook. 46 Terra.org. Ecología práctica. Cocina solar, [en línea]. Dirección URL:< http://www.terra.org/html/s/sol/cocina/intro.html> [Consulta: 14 Jul. 2010]. 27
  • 36. el interior de cada una de ellas hasta el punto de alcanzar más de 85 ºC, hecho que permitía cocer fruta.” 47 Los primeros tipos de hornos solares desde un principio, aunque improvisados, fueron sencillos de construir. Su capacidad de concentración de calor es una aplicación útil que bien aprovechada y difundida, podría ayudar a todas las comunidades del planeta, además de a este mismo. “Más adelante, Saussure experimentó con nuevas cajas hechas de madera y corcho negro y, en contacto con el Sol, la temperatura llegó a los 100 ºC. Sin embargo, aislando el interior de la caja a base de intercalar lana entre las paredes de la caja caliente, la temperatura alcanzó los 110 ºC; incluso cuando la temperatura ambiental no era nada favorable. Eso le hizo cuestionarse si la radiación solar en una montaña donde el aire era más transparente podría atrapar menos calor. Para verificar su hipótesis, Saussure subió a un pico suizo y constató que, a pesar de que la temperatura exterior era de 1 ºC, dentro de la caja caliente se superaban los 87 ºC. Además, cuando la temperatura ambiental alcanzaba los 6 ºC, porque descendía hacia el llano, en el interior de la caja se mantenía el mismo calor. Saussure predijo: "Algún día este ingenio, que actualmente es pequeño, barato y fácil de fabricar, puede ser de gran utilidad". Este científico había tenido una visión, a pesar de que sus experimentos quedaron en el olvido durante cerca de medio siglo.” 48 Fig. 2.11 Horno solar construido por Auguste Mouchot, en 1861 49 Por supuesto, que dentro de los antecedentes históricos de los hornos solares rústicos, también se encuentran los grandes hornos solares que han sido desarrollados con el propósito de investigación científica. Entre éstos se encuentra el horno solar de Montlouis y el CNRS de 1000 kilowatts. 47 Ibidem. Los inicios. IDEM. 49 IDEM. 48 28
  • 37. “En 1948, bajo el liderazgo del profesor F. Trombe, el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) de París inició el diseño, construcción y desarrollo del primer gran horno solar del mundo en Montlouis, en los Pirineos Franceses. Este horno se terminó en 1952 y proporcionó 50 kilowatts de energía térmica En este diseño se utilizó un solo helióstato grande que rastreaba continuamente el Sol para dirigir los rayos solares a un reflector concentrador (parabólico o esférico), consistente en muchos elementos especulares menores, cada uno de los cuales estaba conformado para concentrar la radiación incidente en un punto focal común.” 50 El éxito en su funcionamiento condujo a usar su diseño como el prototipo de los próximos hornos solares grandes de un helióstato, durante lo que serían los siguientes 20 años. “La contribución más valiosa al campo de la energía solar de alta temperatura, fue la experiencia y los antecedentes que proporcionó al Laboratorio de Energía Solar de la CNRS, y que condujo al diseño y construcción del horno solar más grande del mundo, el CNRS de 1000 kilowatts.” 51 En la sección de Anexos se presenta una tabla con las características del horno de Montlouis y los tres hornos que fueron diseñados a partir de él. El horno solar CNRS de 1000 kilowatts está en Odeillo, Font-Romeu (5900 pies de altitud). Fue terminado el 1 de octubre del año 1970 luego de diez años que tardó toda su construcción. “El costo del horno solar más grande del mundo fue de dos millones de dólares; dicho monto subió a cuatro millones junto al costo de los edificios, oficinas y laboratorios anexos. Los componentes del horno CNRS se describen a continuación: Los helióstatos. Cada uno de los 63 helióstatos tiene 7.5 m de anchura por 6 m de altura, y contiene 180 espejos planos de 50 x 50 cm. El área total de superficie especular de los helióstatos es de 2835 m². Éstos se hallan directamente al norte de la parábola y están ordenados en 8 terrazas. Cada terraza corresponde en elevación a uno de los pisos del edificio que soporta a la parábola concentradora. La parábola. Tiene una longitud focal de 18 m, 40 m de altura y 54 m de anchura, y el eje focal tiene 13 m desde el primer piso. Consiste en 9500 espejos de vidrio inicialmente planos que se curvearon mecánicamente y se ajustaron para proporcionar una imagen solar de un diámetro mínimo en el punto focal. Características térmicas. La energía focal que incide sobre un área de unos 2000 m² es concentrada por el reflector parabólico en un área menor de 0.3 m². El 60% de la energía 50 51 Coinsidine, Op. Cit. IDEM. 29
  • 38. térmica total (cerca de 600 kilowatts) se concentra en un área menor 0.10 m² en el centro plano focal de la parábola.” 52 2.3.3 Aplicaciones Las cocinas y hornos solares son ideales para preparar alimentos, pasteurizar agua, prevenir la erosión y desertización, favorecer la libertad y educación... Para todo ello solo hay un único requisito: disponer de radiación solar. Lo cual es muy abundante y accesible en la gran mayoría de las zonas del planeta. “Históricamente, los hornos se han seleccionado para actividades de investigación y desarrollo de las altas temperaturas. Tales actividades se pueden categorizar como: (1) química de alta temperatura, (2) procesamiento a alta temperatura para fundir, purificar o mejorar un material, (3) mediciones de las propiedades a altas temperaturas, (4) determinación de la resistencia al choque térmico u otro comportamiento de los materiales, y (5) estudio de los sistemas de conversión termosolar de alta temperatura.” 53 Hay 2 grandes escenarios donde las cocinas y los hornos solares son de gran ayuda, el principal solventar la crisis de la leña que es usada como combustible, y que en muchos casos es ya escasa y cada vez de más difícil acceso. El otro es en los países desarrollados, donde a pesar de disponer de fuentes de energías abundantes y distribuidas, contribuimos con su utilización al cambio climático y al expolio de recursos naturales. La cocina solar representa una oportunidad solidaria, práctica y sabrosa para participar de los caminos hacia la economía solar y ecológica. Además, como ya hemos visto, tiene numerosas aplicaciones, de entre las cuales se puede citar: “Procesamiento de la cerámica vitrificada. Por medio de un gran horno rotatorio de cavidad, el Laboratorio de Energía Solar ha producido con éxito cantidades relativamente grandes de circonia, sílice y alúmina fundidas. Simulación de los efectos térmicos de las explosiones nucleares. El horno solar Odeillo, del ejército francés, y el horno solar del ejército de E.U., fueron desarrollados fundamentalmente para proporcionar un ambiente de energía térmica radiante que simulara los efectos de radiación térmica producidos por una explosión nuclear. 52 53 Ibidem, pp. 5-55, 5-56. Ibidem, p. 5-59. 30
  • 39. Sistemas solares para la conversión de la energía térmica. En 1882, Mouchot utilizó un gran concentrador parabólico orientable para calentar una caldera (en el punto focal), la cual produjo vapor que movió una prensa en la Feria Mundial de París.” 54 “Cocción de alimentos. También existen referencias de un restaurante chino, que en 1894, servía comida cocinada con el Sol. Cirugía con láser. Una de las aplicaciones innovadoras que se estudian de la concentración de rayos solares, es conducir esta fuente luminosa, por fibra óptica, hacia un instrumento quirúrgico y utilizarla para diseccionar como si se tratase de un bisturí médico. De hecho, la cirugía con láser hace tiempo que funciona con mucho éxito, y lo hace con un principio similar. Sin embargo, es una tecnología muy cara (alrededor de 150.000 euros) y que requiere mucha 2 energía. Con la concentración solar no se pueden conseguir los 100 w/mm que aporta la luz 2 láser, pero se alcanzan entre 30 y 40 w/mm que son suficientes para muchas intervenciones quirúrgicas. Esta energía, por ejemplo, es suficiente para desobstruir arterias coronarias, extirpar tumores, etc.” 55 El horno solar en sí no va solamente dirigido al campo de los alimentos, sino que bien aprovechado, puede utilizarse un mismo diseño para realizar distintitas actividades sin repercutir al medio ambiente como lo harían otras fuentes de energía contaminantes. 2.3.4 Fundamentos del horno solar Esencialmente, contamos con dos formas para aprovechar la radiación solar y convertirla en el calor útil para cocinar. Se trata de dos principios físicos diferentes que pueden aplicarse conjuntamente: los de acumulación y los de concentración. Las dos tecnologías pueden también complementarse. “Las de acumulación atrapan la energía solar a través del efecto invernadero y hacen de horno. En éstas, las temperaturas de trabajo se sitúan entre los 80 y los 160 ºC. Las de concentración aprovechan la propiedad de reflexión de una pared parabólica y alcanzan temperaturas de más de 200 ºC, permitiendo hacer fritos con aceite. El coste, el tiempo de cocción y el tipo de alimentos que se pueden preparar vienen determinados por el diseño de cada tipo de cocina. La energía recogida en una cocina solar, en general, se utiliza para el calentamiento para alcanzar la temperatura de trabajo. Un 20 % del total puede perderse por fugas térmicas, el 35 % por vaporizar el agua y un 45 % por mantener la temperatura de trabajo.” 56 54 Ibidem, p. 5-60. Terra.org, Op. Cit. Aplicaciones. 56 Ibidem. El funcionamiento de la cocina solar. 55 31
  • 40. Se han desarrollado cientos de prototipos de cocinas y hornos solares, pues el abanico de posibilidades es tan grande como la creatividad humana. Se puede llegar a hacer funcionar un minúsculo horno aprovechando una pequeña caja de zapatos, o inclusive, llegar a cocinar con un horno solar el volumen de 100 platos. “También se han desarrollado modelos para la cocción solar con circulación forzada de aceite, donde un captador plano solar calienta el aceite y éste llega al punto de calor canalizado. Existen espectaculares sistemas de cocción solar por reflectores parabólicos con seguimiento solar automatizado que funcionan generando vapor de agua que es canalizado hasta la zona de preparación de los alimentos. Combinados con un sistema de combustible de apoyo, se han llegado a elaborar 40 .000 platos en un día.” 57 Fig. 2. 12 A la izquierda, ejemplo de horno solar basado en el principio de acumulación. A la derecha, esquema de una 58 cocina solar parabólica basada en el principio de concentración de rayos solares 2.3.5 Tipos de hornos solares Éstos se dividen principalmente en dos, que son las tecnologías de acumulación y concentración que vimos anteriormente; las cuales igual pueden trabajar juntas. A partir de ambas, se obtienen diferentes modelos de hornos solares que varían en diseño, forma y tamaño. Primero se mencionará cómo funciona el horno de acumulación: “La transmisión del calor asociada a la energía del Sol se da a través del aire en diversas longitudes de onda, una de las cuales es la infrarroja y que, por absorción, es captada de forma diferente según el material. Podemos decir que el color que caracteriza a los diferentes cuerpos es una magnitud determinante de su correspondiente capacidad para reflejar la radiación solar. 57 58 IDEM. IDEM. 32
  • 41. Los objetos negros absorben toda la luz solar, mientras que los blancos la reflejan casi toda. Esta capacidad de reflexión de la radiación solar es lo que genéricamente se conoce como albedo. En términos generales, el albedo del planeta Tierra, por ejemplo, es de 0,37, es decir, que refleja en el espacio un 37% de la luz que recibe del Sol.” 59 Básicamente, los hornos de acumulación, tal y como su nombre lo indica, acumulan la energía que es absorbida por el sol a través de los materiales de los cuales están hechos; los cuales tienen gran capacidad para reunir calor. Por ejemplo, los vidrios y los plásticos transparentes permiten en gran medida que la radiación solar los atraviese. En cambio, el resto de los cuerpos, en general, absorben una parte de la radiación y la otra la reflejan. “Uno de los principios básicos de captación de la radiación solar es lo que se conoce como efecto invernadero. Éste se basa en la propiedad que tienen algunos materiales como el vidrio de dejarse atravesar por la radiación solar, pero reflejar sólo una parte. Si dentro de un receptáculo de vidrio, además, el color básico de los materiales es el negro, éstos concentran con una gran dosis la energía recibida, de manera que los rayos infrarrojos no tengan bastante energía para escaparse a través del vidrio. Esta conversión de la radiación solar en energía calorífica a través de los rayos infrarrojos, que permite que la temperatura de los objetos en su interior aumente, se conoce como efecto invernadero. La temperatura alcanzada por los materiales afectados por el efecto invernadero se puede transmitir por conducción y ésta permite, por ejemplo, cocinar los alimentos o simplemente generar calor para hacer de sauna.” 60 A diferencia de los hornos de concentración, los de acumulación hacen uso del efecto invernadero al aplicar su calor directamente sobre los alimentos, de manera que la energía es aprovechada en vez de dispersarse al espacio como normalmente lo haría. Seguidamente, se presentan algunos hornos solares que entran dentro de lo que es la tecnología de acumulación. 59 60 Ibidem. Hornos de acumulación solares. IDEM. 33
  • 42. Cocinas de caja Fig. 2.13 La cocina solar Mínima 61 Fig. 2.14 Cocina solar plegable Fig. 2.16 Diseño de Alejandro Diego Fig. 2.15 Pasteurizador de agua Fig. 2.17 Cocina de caja abierta El nivel de calor que os hornos de concentración pueden guardar en una pantalla parabólica, puede ser de miles de grados cuando la superficie es enorme. Si bien la energía hidroeléctrica se mide por la caída y el volumen del agua, así como la eólica por el barrido de sus hélices, en el caso de la energía solar, ésta se mide por el área superficial que ha de cubrir. “Una propiedad de los discos esféricos con la superficie cóncava, es que son capaces de recoger y concentrar las ondas luminosas y sonoras. Según los metros cuadrados de este receptáculo, la profundidad y la brillantez de la superficie, se alcanza (en un punto separado del centro de la esfera que se conoce como punto focal) una determinada temperatura. A grandes rasgos, podemos decir que una cocina solar parabólica permite obtener alrededor de 1kW por 2 cada 2 m de superficie de captación, con un rendimiento del orden del 50%. Los sistemas de 2 uso familiar acostumbran a utilizar superficies de algo más de 1 m .” 62 Dentro de los hornos solares de concentración, podemos encontrar los de tipo panel y parabólico. 61 The Solar Cooking Archive. Cocinando con el Sol, [en línea]. Dirección URL: <http://solarcooking.org/espanol/> [Consulta: 14 Jul. 2010]. 62 Terra.org, Op. Cit. Cocinas solares de concentración. 34
  • 43. Cocinas parabólicas y de panel Fig. 2.18 Cocina de doble posicionamiento (DSPC) Fig. 2.20 Cocina solar paracuina 63 Fig. 2.19 Cocina solar DATS Fig. 2.21 Cocina solar parabólica También existen cocinas mixtas, las cuales usan tanto los principios de acumulación como los principios de concentración. Cocinas de acumulación y concentración Fig. 2.22 Global Sun Oven 63 64 64 Fig. 2.23 Cocina solar Embudo The Solar Cooking Archive, Op. Cit. Terra.org, Op.Cit., Cocinas solares. 35
  • 44. 2.3.6 Crisis de la leña La deforestación y la tala desmesurada de árboles para combustible y para proporcionar calor, son otros motivos por los cuales se incita a utilizar las fuentes de energía renovables. “Alrededor del 50% de los 3.200 millones de toneladas de madera recogida en todo el planeta se quema como combustible. En algunos lugares, esta proporción llega a las cuatro quintas partes. Las mujeres y los niños son los principales recolectores de leña como combustible para cocinar, la cual representa el 80% de la energía consumida en los hogares de los países en vías de desarrollo (un 40% en Latinoamérica, un 60% en África y un 80% en Asia). Las mujeres dedican entre 1 y 5 horas al suministro de leña. En Haití, el 98% de los árboles han sido talados para hacer fuego y cocinar; en Burkina Faso, el 90%. Una comunidad rural tipo de un país no desarrollado destina el 89% del consumo energético a la cocción de alimentos. Para la cocción se utiliza esencialmente leña, restos forestales y de los cultivos, excrementos y otros. Curiosamente, en muchos de estos lugares la radiación solar es del orden 2 de los 5,5 kWh/m .” 65 Las consecuencias de esta presión resultan en la deforestación de los bosques tropicales, la desertización y erosión de los suelos agrarios, las enfermedades y las alteraciones climáticas. Hay que hacer conciencia que las emisiones de CO2 no hacen sino afectar el delicado equilibrio ecológico de nuestro planeta. Es un hecho preocupante que mientras el consumo de leña se incrementa en un 2% anual, la producción de los bosques lo hace sólo en un 10% de los bosques existentes en el año anterior, es decir, antes de ser talados. “Cerca de 2.000 millones de personas están afectadas por la denominada crisis de la leña. El déficit mundial de leña es de 1.000 millones de metros cúbicos al año. Como término 3 medio, se calcula que el consumo por persona es de unos 225 kg de leña al año (0,5 m ), pero, esta cifra varía según los países. La deforestación causada estrictamente por la tala de leña 2 como combustible se calcula en unos 25.000 km /año.” 66 El impulso y la difusión de los hornos solares es una medida sustentable que contribuye a la solución no sólo de este problema, sino de otros problemas relacionados a la contaminación y a las comunidades con bajos recursos en cuanto a la energía eléctrica. 65 66 Ibidem. La crisis de la leña. IDEM. 36
  • 45. 2.3.7 Efecto invernadero Uno de los principales problemas actuales, del cual bien se ha estado discutiendo sus consecuencias y posibles respuestas desde años atrás. El efecto invernadero consiste en el aumento de las temperaturas globales, debido al incremento de dióxido de carbono y de otros gases en la atmósfera. “Igual que cualquier otro cuerpo caliente, la Tierra emite energía; de hecho, la cantidad de energía que absorbe el planeta y la cantidad de ella que emite, debería ser igual. La energía emitida es infrarroja, la cual luego de ser absorbida por moléculas atmosféricas, como el CO2, es reemitida en todas las direcciones; así pues, es redirigida a la superficie de la Tierra, y es reabsorbida, calentando la superficie y el aire. Este fenómeno se demoniza efecto invernadero.” 67 Gracias a este efecto, la Tierra puede mantener un calor constante, en lugar de conservar muy bajas temperaturas en general, que son las que corresponderían sino existiesen los gases atmosféricos que reabsorben la luz infrarroja. Como todo, la Tierra es un sistema que debe tener su propio equilibrio, donde la energía que entra debe ser igual a la que sale. Sin embargo, debido a uso desmesurado de fuentes contaminantes, este equilibrio ya no existe. “En la actualidad, aparte de la energía recibida del Sol, el sistema Tierra está recibiendo una energía extra de entrada procedente del fuel, gas natural, carbón, fisión nuclear, etc., que repercutirá en un aumento de la temperatura terrestre cuando la energía procedente de dichas fuentes alcance valores comparables a la energía total recibida del Sol. Dicho aumento tendrá repercusiones en cuanto a climatología, ecología, etc.” 68 El fenómeno que preocupa a los científicos ambientales no es el efecto invernadero, sino el efecto invernadero intensificado; esto ocurre porque los gases que absorben la luz infrarroja aumentan más y más, provocando que el calor en la tierra crezca también. Uno de estos gases es el dióxido de carbono, del cual ya se han venido trabajando propuestas para disminuir sus emisiones al medio ambiente. 67 68 Baird, Op. Cit., p. 181. Mompín Poblet, Op. Cit., p. 13. 37
  • 46. 2.3.8 Cultura y energía del sol Conociendo que el Sol es materia, que la materia constituye unas de las bases fundamentales del conocimiento y que el conocimiento es la base fundamental del desarrollo, en la actualidad el hombre mira hacia el Sol con una nueva concepción, estudiando y analizando hasta dónde puede ser aprovechada su energía. Día a día el interés por la energía solar crece, pues es importante aprovechar lo que nos da naturaleza de manera sabia, además de cuidarla también. Esta fuente renovable se ha convertido en una importante fuente de energía eléctrica en zonas rurales del país. “La educación energética de toda la población es de gran importancia, pues ello significaría no sólo un mejor y más eficiente uso de los escasos recursos de combustibles fósiles con que contamos, sino además una garantía en la transición hacia una economía energética sostenible que descanse en la energía solar disponible en todo el territorio nacional. De ahí la necesidad del conocimiento del origen y formas de utilización de nuestra principal fuente de energía: El Sol.” 69 69 RAMÍREZ SMITH, Gilberto. Formación cultural sobre medio ambiente a través del conocimiento de la energía solar. Publicaciones científicas, RevistaCiencias.com, [en línea]. Fecha de publicación: 18 de Diciembre del 2005. Dirección URL: <http://www.revistaciencias.com/publicaciones/EEFuAElZZFwGTZvdWC.php> [Consulta: 14 Jul. 2010]. 38
  • 47. 2.5 La energía solar en México Desde hace más de un par de décadas, en México se han integrado los mapas de radiación solar, basados en las imágenes recibidas de los satélites y apoyados en algunas mediciones hechas en ciertas localidades. “Más de la mitad del territorio nacional presenta una densidad energética de 5 kWh/m²día (Vázquez O.M., Del Valle B. et al. 2007). Las regiones del país que cuentan con los más altos niveles de insolación son: el Noroeste (Península de Baja California, Sonora), el Sur (fuera de la zona húmeda del Golfo de México y la montañosa de transición entre el Golfo y la Altiplanicie Mexicana) y, prácticamente, toda la costa del Pacífico (CONAE 2000).” 70 2.5.1 Potencial en México México representa un territorio ideal para el desarrollo de la energía solar, debido a que tiene un clima muy caluroso. Si bien en la actualidad los paneles fotovoltaicos resultan en costos altos, al igual que la instalación de grandes campos de concentración solar, los hornos solares resultan ser una alternativa positiva. No se necesita de mucha inversión o materiales muy caros para el diseño de una cocina solar; inclusive, las azoteas de las casa son un buen lugar en donde instalarlas. El horno solar es una iniciativa limpia y prometedora con la cual se puede comenzar el desarrollo y la expansión de la energía solar en México. “Nuestro país presenta algunas ventajas importantes en este tipo de tecnologías: a) Insolación. En términos de Radiación Directa Normal, México tiene valores muy convenientes para la explotación del recurso solar usando tecnologías de concentración solar. b) Ubicación. El territorio mexicano se encuentra comprendido entre los paralelos 15° N y 30° N, esto permite utilizar campos helióstatos de menor medida; con un análisis simple se puede concluir que el uso de suelo puede ser mejorado entre 5-20%, comparado con las plantas construidas por arriba del paralelo 37° N. c) Extensiones de terreno grandes. En los estados del norte y noroeste se tienen extensiones de terrenos sin uso productivo por falta de agua y por el clima extremo, estas áreas son susceptibles a ser usadas sin afectar el ambiente o actividades productivas, además a menores costos que en otras regiones. 70 De Buen, Op. Cit., p. 16. 39
  • 48. d) Infraestructura industrial. Las características que presenta la tecnología de las PTC (Plantas de Torre Central), hacen posible que la industria nacional pueda adaptarse fácilmente a una producción en masa para cubrir la demanda de helióstatos.” 71 México se encuentra en un contexto mundial propicio para la aplicación de fuentes de energía renovables generado por el alza constante del precio del petróleo, además de la inevitable sustitución de combustibles fósiles para evitar más impactos ambientales negativos. En las figuras 2.24 y 2.25 72 se muestran los mapas de radiación solar en primavera y verano respectivamente, donde se puede observar que más de la mitad del país es susceptible de utilizar la energía proveniente del Sol. Ambos mapas también se encuentran en la sección de Anexos, ampliados para un mejor estudio. Fig. 2.24 Radiación Solar Media (Primavera) Fig. 2.25 Radiación Solar Media (Verano) 2.5.2 Tarifas eléctricas El consumo de la electricidad en el país, como en el mundo, va creciendo con cada año que pasa; puesto que cada vez hay más población, es necesario contar con una manera inteligente y económica de distribuir la energía. El presente proyecto también tiene como finalidad el llevar los hornos solares a comunidades donde la red eléctrica, debido a la lejanía u otros factores, falle continuamente; o bien, a comunidades con escasos recursos. 71 Cabanillas López, Op. Cit., p. 69. I. CASTRO, Galindo, VALDÉS M., S. Catálogo de Metadatos geográficos. Comisión Nacional para el conocimiento y uso de la biodiversidad, [en línea]. Fecha de publicación: 15 de Agosto del 2001. Dirección URL: <http://www.conabio.gob.mx/informacion/metadata/> [Consulta: 14 Jul. 2010]. 72 40
  • 49. “Las tarifas para servicios municipales (5 y 5A) normalmente se aplican al suministro de energía eléctrica para semáforos, alumbrado vial y alumbrado ornamental –por temporadas- de calles, parques y jardines públicos. Las tarifas tienen dentro de sí los siguientes componentes: Mínimo mensual. La cantidad que resulte de aplicar las cuotas correspondientes al consumo equivalente a 4 horas diarias del servicio de la demanda contratada. Consumo de energía. Normalmente se medirán los consumos de energía, aunque en los contratos respectivos se establecerán los procedimientos para determinar el consumo de energía, de acuerdo con las características en que se efectúe el suministro de servicio y de conformidad con las normas aplicables. Demanda por contratar. Ésta corresponderá al 100% de la carga conectada. Cualquier fracción de kilowatt se tomará como kilowatt completo. Reposición de lámparas. El prestador del servicio deberá reponer lámparas, los aparatos y materiales accesorios que requiera la operación de las mismas. Cuando el suministrador esté de acuerdo en tomar a su cargo la reposición, se fijará en los contratos la forma para el cobro de los gastos que origine este servicio adicional. Depósito de garantía. Cuatro veces el mínimo mensual aplicable.” 73 En México la economía y/o rentabilidad de los proyectos depende de los costos que se evitan, como en este caso, las traficas eléctricas cuyo precio tiende a seguir subiendo. Para el año 2009, los cargos por las tarifas 5 y 5ª por kWh se ubicaban entre 1.6 y hasta 2.5 pesos. El otro tipo de tarifas que involucra a las comunidades directamente, es aquel que va destinado a los sectores domésticos. “Las tarifas que se aplican a los hogares son la 1, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F y la Doméstica de Alto Consumo (DAC). Las tarifas 1 a 1F se aplican a todos los servicios que destinen la energía para uso exclusivamente doméstico, conectadas individualmente a cada residencia, apartamento, apartamento en condominio o vivienda. Estos servicios sólo se suministrarán en baja tensión y no deberá aplicárseles ninguna otra tarifa de uso general. Estas tarifas se definen en términos de la temperatura media mínima en verano, a partir de reportes elaborados por la SEMARNAT.” 73 74 74 Cabanillas López, Op. Cit., p. 46. Ibidem, p. 50. 41
  • 50. Temperaturas consideradas para establecer las tarifas domésticas Tarifa Temperatura promedio en verano (en °C) Menor a 25 25 28 30 31 32 33 1 a 1 1B 1C 1D 1E 1F Límite para ubicarse en alto consumo (kWh/mes) 250 300 400 850 1000 2000 2500 Tabla 2.2 Fuentes: Elaboración propia, con base en datos de (CFE 2009); cfr. Índice de Referencias 75 2.5.3 La necesidad en las comunidades de bajos recursos o con fallas eléctricas Un factor clave a la hora de desarrollar un proyecto de energía, es sobre todo, la disponibilidad del recurso (en este caso, el Sol). La generación de la electricidad o de la energía calorífica para nuestro beneficio por medio de la concentración solar, es una de las tecnologías más prometedoras y que cada vez cuenta con más apoyo para su progreso. México presenta un gran potencial en esta área, ventajas las cuales pueden amortiguar en un futuro las tarifas de la electricidad e inclusive competir con las fuentes de energía convencionales. Es un punto muy importante a considerar, en especial, cuando se trata de comunidades que tienen necesidades. La implantación de varios hornos solares en este tipo de lugares, puede fácilmente dar abasto de comida a muchas personas o familias; los materiales de construcción son sencillos y baratos a comparación de otras tecnologías, además de que el Sol, la fuente de energía, es totalmente gratuito. Un ejemplo de esto, es el proyecto de cocinas solares y ecológicas que se llevo a cabo en el noroeste de Argentina por la OCAN (Asociación de Comunidades Aborígenes de Nazareno): “Del 3 al 5 de Abril, estuvimos construyendo un futuro mejor con nuestros hermanos de la comunidad de Nazareno. Cada familia consume un promedio de 400 kg mensuales. Los cerros sufren cada vez más de escasez de leña y el gas es cada vez menos accesible. Pudimos lograr la fabricación de 28 hornos solares con unas familias pioneras. Al mediodía del domingo, después 2 días de construcción, cada participante cocinó en su horno solar. Los 28 platos solares salieron muy ricos: morcilla, asado de cordero con papa y tomate, pizza, biscochuelo, 75 humitas, empanadas, pastel de choclo, guiso... IDEM. 42
  • 51. Alcanzó para todos los participantes y los visitantes sin gastar ni 1 kg de leña. El sol es abundante y gratuito.” 76 Fig. 2.26 Comida hecha en una cocina solar 77 Fig. 2.27 Proyecto de hornos solares en Nazareno 78 Muchas de las actividades productivas y de las necesidades en el país pueden hallar una solución en esta nueva y prometedora tecnología. Los recursos y las condiciones están en México, es hora de darle la oportunidad a los hornos solares y a la energía solar para crecer en nuestro país; la cultura ecológica así como la visión de un mundo sustentable son una realidad que podemos alcanzar. 76 Solar Inti. Proyecto por el desarrollo de cocinas solares y ecológicas destinado a familias de bajos recursos. En la región noroeste de Argentina, en zonas que sufren desertificación, [en línea]. Fecha de publicación: 6 de Mayo del 2009. Dirección URL:< http://solarinti.blogspot.com/2009/04/grupo-6-28-hornos-solares-el-grupo.html> [Consulta: 14 Jul. 2010]. 77 IDEM. 78 IDEM. 43
  • 52. CAPITULO IIl MARCO DE APLICACIÓN 44
  • 53. El último capítulo de este trabajo dará a conocer las fórmulas matemáticas que se emplearon para el diseño del horno solar, tanto para calcular su potencia como para calcular las medidas más adecuadas para una superficie reflectante eficiente; se exponen aquí también los materiales que fueron utilizados para hacer el prototipo. Por último, se anexan los resultados que se obtuvieron durante la cocción de alimentos en el horno solar. 3.1 Principios matemáticos Se presentan a continuación las fórmulas matemáticas que fueron usadas. Se inicia con el modelo matemático de la parábola, por medio del cual obtendremos las medidas adecuadas que deberán tener las secciones de vidrio que se van a utilizar. La meta es la demostración del cómo se distribuye la superficie reflectora del horno para formar una parábola, con una distancia focal, un ángulo, un número de secciones y otras constantes que dependen de dicha distribución. 3.1.1 La parábola “La parábola es una curva dimensional, un lugar geométrico de los puntos del plano equidistantes de una recta y de un punto fijo que resulta de cortar un cono circular recto por un plano paralelo a una generatriz.” 79 La ecuación de una parábola es: y = a.x² Donde “a” es una constante. Para una parábola con distancia focal “f”: a = 1/(4f) Fig. 3.1 Parábola – distancia focal = f 80 79 MAYES, Lawrence. Guía para construir una superficie parabólica. Artículo traducido, [en línea]. Fecha de actualización: 25 de Diciembre del 2005. Dirección URL: <http://cocinasolar.files.wordpress.com/2009/11/parabola.pdf> [Consulta: 19 Jul. 2010]. 80 IDEM. 45
  • 54. Fig. 3.2 Plano del disco y secciones 81 Cuando se mira desde arriba, cada segmento asemeja un triangulo simple cuyo ángulo tope es igual a 360°, dividido por el número total de segmentos (figura 3.4). Multiplicando la distancia “X” por la tangente de la mitad del ángulo tope, se obtiene la mitad del triangulo en “X” desde el centro del disco. Este simple cálculo nos permite encontrar la longitud de los lados paralelos de los cuadriláteros. Fig. 3.3 Vista superior de una sección Posteriormente, pasamos al diseño. 82 83 Primero se decide cuántas secciones se quieren usar; con más secciones habrá más exactitud, pero también más trabajo. Se divide esta figura entre 360°, así se obtendrá el ángulo en el 81 IDEM. IDEM. 83 IDEM.. 82 46
  • 55. vértice de cada sección. Ahora se toma la tangente de la mitad de este ángulo (por ejemplo, si es de 30°, necesitaremos tan (15°), la cual es 0.268). Segundo, se elije el tamaño del incremento en “X”. Éste no deberá ser mayor que el objetivo ubicado en el foco: digamos 2 pulgadas para un micrófono, 4 pulgadas para una hamburguesa u 8 pulgadas para una sartén. Ahora se elije la longitud focal. Ésta es la distancia entre el fondo del plato al punto focal. Para calcular el valor de “a”, multiplicar f por 4 y obtener el resultado recíproco. Ejemplo, si f es 8, entonces será 1/(4 x 8) = 1/32 = 0·03125. Teniendo todos estos datos, se procede a configurar una tabla representativa, cuya estructura es así: 1) Enumerar las filas a la izquierda. 2) En la próxima columna, poner el valor de las coordenadas “x” (cada fila aumenta con el valor del incremento de “x” que se ha elegido). 3) Calcular el valor correspondiente de “y” y ponerlo en la siguiente columna; y = a * x². 4) En la columna correspondiente a “y1”: Se copia el valor para “y” proveniente de la siguiente fila. 5) Para cada fila, calcular el cuadrado de la diferencia entre “y1” y “y”, adicionando también el cuadrado del valor del incremento de “x”. “z” se obtiene de la raíz cuadrada de esta suma. 6) En cada fila calcular “Vd”, el cual es igual al valor de “z” para esa fila, más todos los valores de “z” en las filas precedentes. 7) La “distancia desde el medio”, es la mitad del ancho de la sección a la distancia “Vd” desde el centro del disco. Se calcula multiplicando el valor de “x” en la siguiente fila por la tangente ya encontrada. De esta manera, se pueden tener medidas confiables para la construcción de los segmentos que en conjunto, integrarán la forma de una parábola. Fig. 3.4 Marcación de los segmentos 84 84 IDEM. 47
  • 56. Tabla 3.1 Medidas para los segmentos de la parábola row number X Y y1 Z Vd from centre 1 0 0.00 0.45 6.02 6.02 2.18 2 6 0.45 1.80 6.15 12.17 4.37 3 12 1.80 4.05 6.41 18.57 6.55 4 18 4.05 7.20 6.78 25.35 8.74 5 24 7.20 11.25 7.24 32.59 10.92 6 30 11.25 16.20 7.78 40.37 13.10 7 36 16.20 x increment 6 f (focal length) 20 Sections 9 48
  • 57. 3.1.2 Potencia emitida Ya hemos descrito los principios matemáticos para el diseño de la parábola, por lo que a continuación se complementará la información con la potencia que es capaz de emitir el recipiente negro a partir del cual se hará la cocción de los alimentos. La ley de Stefan-Boltzmann 85 establece que un cuerpo negro emite radiación térmica, con una potencia emisiva superficial (W/m²) proporcional a la cuarta potencia de su temperatura: Donde Te es la temperatura efectiva, o sea la temperatura absoluta de la superficie y sigma es la constante de Stefan-Boltzmann: Por lo tanto tenemos que: Temperatura máxima del recipiente negro al ser calentado: 403 K E= (5.67 x 10 -8 2 4 4 W/m * K ) (388 K) = 1285.02 W/m 2 “La ecuación indica que la potencia emitida crece muy rápidamente con la temperatura y sólo es cero en el cero absoluto. La energía perdida por el cuerpo que ha emitido la radiación puede ser ganada por otro cuerpo si este absorbe la radiación. No toda la radiación que incide sobre un cuerpo es absorbida, sino sólo una fracción. La termodinámica demuestra que la fracción de energía radiante absorbida por una superficie es precisamente e. Es decir, los cuerpos que mejor emiten son los que mejor absorben. Un cuerpo con e=1, emisor perfecto, sería también un absorbente perfecto. A tal cuerpo se le llama cuerpo negro, porque al absorber por completo toda radiación que le llegara, se percibiría como negro.” 86 Se ha tomado en consideración está fórmula debido a que aún cuando la superficie reflectora del horno parabólico esté hecha de vidrio, el interior del recipiente donde se colocarán los alimentos a cocinar será de material Peltre de color negro. Se ha dispuesto de esta manera porque los colores y la temperatura tienen una relación; cuanto más obscuro sea un objeto (negro), mayor tiene una capacidad de absorción de calor tendrá. La razón es que: 85 Wikipedia. La Ley de Stefan Boltzmann. Laboratorio de Física II (1° Ingeniería Industrial). Ley de Radiación de Stefan-Boltzmann. Universidad Carlos III de Madrid, [en línea]. Dirección URL: <http://cocinasolar.files.wordpress.com/2009/11/parabola.pdf> [Consulta: 18 Jul. 2010]. 86 49
  • 58. “El color negro absorbe todos los colores contenidos en la luz blanca, por lo que la acumulación de calor es mayor. Según un estudio publicado recientemente, el negro absorbe el 98% del calor que llega a la superficie. En el caso del color blanco, el porcentaje solamente alcanza el 20%.” 87 3.1.3 Longitud de onda La Ley de Wien 88 es una ley de la física. Ésta declara que hay una relación inversa entre la longitud de onda en la que se produce el pico de emisión de un cuerpo negro y su temperatura. Donde T es la temperatura del cuerpo negro en Kelvin (K) y λmax es la longitud de onda del pico de emisión en metros. Las consecuencias de la ley de Wien es que cuanta mayor sea la temperatura de un cuerpo negro, menor es la longitud de onda en la cual emite. A través de esta fórmula, también es posible conocer la temperatura de un cuerpo si conocemos su espectro de emisión. Gráfica 3.1 La Ley de Wien 89 Aplicado al horno solar, entonces tendríamos que la máxima longitud de onda es: λmax= 0.0028976 m*K / 403 K = 7 190 Å = 719 nm 87 Saberia.com. El Saber sí ocupa un lugar. ¿Por qué el color negro atrae el calor?, [en línea]. Dirección URL: <http://www.saberia.com/es/2010/07/por-que-el-color-negro-atrae-el-calor/> [Consulta: 18 Jul. 2010]. 88 Wikpedia. Ley de desplazamiento de Wien. 89 IDEM. 50
  • 59. Por lo tanto, el color de la longitud de onda será roja (luz infrarroja), tal y como se puede comprobar en la siguiente imagen. Fig. 3.5 Longitudes de onda y sus respectivos colores 90 90 SÁNCHEZ GUILLÉN, José Luis. Biología de Bachillerato, fotosíntesis. EdoCastur Pando, [en línea]. Dirección URL: <http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2bch/B3_METABOLISMO/t32_FOTOSINTESIS/TEST.htm> [Consulta: 19 Jul. 2010]. 51
  • 60. 3.2 Estructura del horno solar parabólico Para el cuerpo del horno se utilizó una antena parabólica elaborada por la compañía Sky, cuya área es 5019.49 m². Fig. 3.6 Antena parabólica Sky Con ayuda de la tabla que se mostró anteriormente, se procedió a cortar el vidrio en trozos triangulares, siguiendo las medidas dadas en dicha tabla. En total fueron 9 secciones, las cuales puestas juntas, formaban una circunferencia. El vidrio utilizado en el horno solar se pegó con pegamento para altas temperaturas, de manera que pudiera resistir la energía del sol. Su espesor es de 6mm. Fig. 3.7 Vidrio cortado Se le hizo un soporte también, el cual consiste en dos piezas ajustables, permitiendo así que todo el conjunto pueda desarmarse para poder ser trasladado (pieza por pieza) a otro lugar de trabajo. La primera pieza consiste en un trípode hecho de barras y soleras de aluminio, cuya función será soportar la circunferencia con el vidrio pegado; para mantener un mejor equilibrio, se le han hecho dos muescas lado a lado del tope del soporte, para que la superficie pueda encajar más fácil. 52
  • 61. Fig. 3.8 Trípode Fig. 3.9 Muesca La otra parte comprende al soporte donde se colocará el sartén junto con los alimentos a cocinar, al cual se le han agregado dos argollas para graduar la altura; esto es debido a la inclinación de los rayos del sol durante el paso de las estaciones, además de la hora del día, los cuales pueden afectar ligeramente la distancia focal. Fig. 3.10 Soporte superior Fig. 3.11 Argolla La altura total del horno ya armado es de 126 cm; de los cuales, 71 cm corresponden al trípode, 10 cm a la circunferencia y los 45 cm restantes al soporte superior. El ángulo de las patas del trípode es de 65°, mientras el de los brazos del soporte para el sartén, es de 120°. 53
  • 62. Fig. 3.12 Muestra del ángulo de 45° Fig. 3.13 Muestra del ángulo de 120° Para finalizar la estructura y optimizar el calor concentrado, tanto la parte trasera de la circunferencia así como el soporte de la olla fueron pintados de negro; tal y como se muestra en las siguientes imágenes. Fig. 3.14 Parte trasera pintada Fig. 3.15 Brazos pintados 54
  • 63. La vista final del horno solar parabólico se puede apreciar en la próxima imagen. Fig. 3.16 Horno sin pintar Fig. 3.17 Horno pintado de negro 3.3 Pruebas sobre la cocción de alimentos Este apartado ha sido dividido en dos secciones de pruebas experimentales. Primero, se presentarán algunas comidas hechas en el horno solar, pero sin este haber sido pintado en negro y sin que la olla o sartén utilizado estuviese cubierto. Esto es con fines de demostrar que el prototipo es funcional y capaz de cocinar alimentos, aún cuando no esté operando a su máximo ni se haga esfuerzos por contener el calor concentrado. Cabe señalar que toda comida realizada al aire libre debe estar estrictamente tapada para evitar la contaminación, si ésta ha de ser ingerida posteriormente. Se reitera una vez más, que la manera de cocinar presentada en esta sección, es solamente para mostrar que el proyecto opera bien a pesar de no tener todas las buenas condiciones a su disponibilidad. La segunda parte, contiene la información de las recetas hechas, ahora con todas las precauciones y medidas adecuadas para garantizar un mejor rendimiento; como es el agregado de la pintura negra y el recubrimiento de los recipientes. 3.3.1 Horno solar al mínimo Debido a que el calor que se reuniría en el sartén sería menor, puesto que se dispersaría al ambiente al no estar tapado el recipiente, se seleccionaron tres comidas para realizar cuya preparación fuese simple y sencilla. 55
  • 64. La primera fue el popular “huevo estrellado”, no muy complicado de hacer. Fecha de la prueba: Viernes 23 de Julio del 2010. Pronóstico: 33 °C / 25 °C Hora de inicio: 3:12 p.m. Se armó la estructura del horno y se dejó un sartén de peltre calentar por unos 20 minutos. A las 3:32 p.m., se colocó la yema del huevo en el recipiente. La temperatura que el prototipo consiguió obtener fue arriba de los 60 °C; desafortunadamente, debido a que las condiciones climáticas eran nubladas, los rayos solares fueron bloqueados constantemente. La falta de calor proveído del sol, además de los cortos periodos en que su energía no era detenida por las nubes, no permitió que el huevo se pudiese cocinar por completo. Por estas razones, aparte de que el sol ya no era tan fuerte, se decidió finalizar la prueba. Sin embargo, este obstáculo también demostró que a pesar de las medidas mínimas en que el horno operaba, así como el clima desfavorable, el huevo pudo cocerse (si bien no del todo, hubo buenos avances a pesar de la poca energía que recibió). Hora de terminación: 4:30 p.m. Resultados: El horno es capaz de concentrar calor y retener un poco para cocinar, aún cuando la mayor parte se disperse al ambiente. Fig. 3.18 Huevo estrellado 56
  • 65. La segunda receta fue un omelette, también conocido como torta de huevo. Fecha de la prueba: Domingo 25 de Julio del 2010. Pronóstico: 35 °C / 25 °C Hora de inicio: 12:17 p.m. Se colocó el sartén de peltre en el horno y se dejó calentar por unos 10 minutos; después, se le agregó el aceite, esperando así otros 10 minutos de precalentado antes de empezar a cocinar. A las 12:35 p.m. se vertió la mezcla del omelette en la sartén, la cual no contenía ningún ingrediente adicional aparte del huevo para hacer el proceso más simple. Conforme pasaban los minutos, la mezcla comenzaba a adquirir solidez. Nuevamente, las temperaturas alcanzadas fueron arriba de los 60°C; no pudiendo llegar a más por la falta de una mejor concentración. Cuando dio la 1:20 p.m. se volteó la torta para permitir que otro lado se cociera. Una media hora después, estuvo listo. Hora de terminación: 1:50 p.m. Resultados: La torta adquirió buena forma y solidez, aunque su sabor (debido a la exposición al ambiente) fue algo simple. 91 Fig. 3.19 Mezcla del omelette Fig. 3.20 Torta de huevo Fig. 3.21 Omelette cocinándose en el horno solar 91 La ingesta de alimentos preparados al aire libre, como comida en vez de pruebas experimentales, sin estar aislados de la contaminación, puede representar un peligro para la salud. 57
  • 66. La última comida en esta sección, fueron salchichas para un emparedado. Fecha de la prueba: Martes 27 de Julio del 2010. Pronóstico: 34 °C / 20 °C Hora de inicio: 1:00 p.m. Se dejó calentar el recipiente en el horno durante quince minutos. Pasado ese tiempo, se colocaron las salchichas en su interior, las cuales habían sido cortadas a la mitad por todo lo largo. Al dar las 2:00 p.m., una cara estaba ya cocida, por lo que fueron volteadas para permitir que la otra se cocinase también. Las temperaturas que se alcanzaron en el proceso fueron similares a las de las dos pruebas anteriores, sin mucho calor concentrado. Después de una hora las salchichas estuvieron listas para retirarse del horno. Hora de terminación: 3:00 p.m. Resultados: Las salchichas se cocieron a pesar de que entre momentos el sol era nublado. Fig. 3.22 Salchichas comenzando a cocinarse Fig. 3.23 Salchichas listas 58
  • 67. 3.3.2 Horno solar mejorado En la segunda parte de las pruebas realizadas con el horno, se presentan los resultados de la cocción de alimentos al haber optimizado el proceso y haber tomado las medidas necesarias para conservar mejor el calor concentrado. La primera receta fue “manzanas asadas”, optando ahora por algo más grueso y pesado para cocinar, ya que el rendimiento del horno debía de haber aumentado. Fecha de la prueba: Sábado 31 de Julio del 2010. Pronóstico: 35 °C / 25 °C Hora de inicio: 12:30 p.m. Como en ocasiones anteriores, se dejó calentar el horno y el recipiente a usar primero; la única diferencia es que ahora la superficie posterior y los brazos habían sido pintados de negro, además de agregar una tapa de vidrio a la olla usada. Durante los quince minutos del precalentado, se procedió a retirar el corazón de dos manzanas para después verter en su interior miel y canela en polvo. Al dar las 12:45 p.m., las dos frutas fueron colocadas en el interior del recipiente negro y cubiertas con la tapa de vidrio. A las 2:00 p.m., ambas comenzaron a dar muestras de estarse dorando. Unos 45 minutos después, estaban completamente doradas; para asegurarse que estuviesen bien cocinadas, se esperó finalmente algunos 23 minutos más. Las temperaturas alcanzadas superaron los 125 °C. Hora de terminación: 3:20 p.m. Resultados: Las manzanas se cocinaron bien y obtuvieron con un buen sabor. 92 Esta preparación fue tomada de una receta solar , cuya duración varía entre dos y cuatro horas, dependiendo las condiciones y el tipo de manzanas elegidas. 92 Cocina Solar. Todo sobre el fascinante mundo de la cocina solar. Recetas, [en línea]. Dirección URL: <http://cocinasolar.wordpress.com/recetas/> [Consulta: 30 Jul. 2010]. 59
  • 68. Fig. 3.24 Manzanas frescas Fig. 3.25 Muestras de cocción Fig. 3.26 Manzanas asadas 60
  • 69. La segunda y última prueba fueron papas cocidas, a las cuales se les agregó pimentón y sal. Éstas igual fueron tomadas de una receta solar. 93 Fecha de la prueba: Lunes 2 de Agosto del 2010. Pronóstico: 35 °C / 25 °C Hora de inicio: 1:35 p.m. Primero se dejó calentar la olla por unos 20 minutos. Después se colocaron las papas en su interior; pasada una hora, comenzaron a mostrar signos de estar cocinando. Al cabo de unos 36 minutos, estuvieron cocidas y listas. A pesar de que entre momentos el sol era nublado, el calor que pudo reunirse fue efectivo para lograr la cocción del alimento. Hora de terminación: 4:30 p.m. Resultados: Las papas resultaron cocinadas, aunque hubiera sido mejor agregar aceite para darles un poco más de sabor. Fig. 3.27 Papas frescas 93 Taringa. Recetas para horno solar, [en línea]. Dirección cocina/1857913/recetas-para-horno-solar.html> [Consulta: 30 Jul. 2010]. Fig. 3.28 Papas cocidas URL:<http://www.taringa.net/posts/recetas-y- 61
  • 70. CONCLUSIONES Después de toda la investigación y pruebas realizadas, se ha demostrado que el uso del horno solar como una alternativa para no usar tanto el horno convencional, es funcional y no genera daños al medio ambiente. Esto representa una buena opción para las comunidades con necesidades, puesto que solamente se necesita del sol, un recipiente para cocinar y comida; los proyectos de hornos solares en comunidades no son algo nuevo, puesto que ya se han realizado algunos en el pasado, por lo que representa un buen ejemplo al que México se puede sumar. Actualmente, en nuestro país se están acercando las estaciones de invierno y otoño, por lo que la temporada de lluvias o constantes nublados se ha visto presente durante las pruebas realizadas; algunas veces suspendiendo algunas. Debido a esto la potencia del sol no es la misma que en el verano, además de que se han obtenido mejores resultados con comidas asadas que con aquellas que son líquidos que deben solidificarse (como pasteles o panes); sin embargo, el prototipo ha mostrado que puede operar a pesar de las condiciones climáticas (siempre y cuando éstas no sean muy drásticas). Las horas que resultan más propicias para cocinar se hallan entre un poco antes del mediodía y las dos de la tarde, que es cuando la energía solar es mayor. La concentración del calor es eficiente y la cocción de los alimentos ha dado resultados favorables. El precio de fabricación ha sido alrededor de los mil pesos, por lo que el precio comercial de este proyecto alcanzaría los mil quinientos pesos; comparado a la mayoría de los hornos solares actuales en venta, que oscilan entre los 100 y 300 euros, es un costo razonable. Sus partes ajustables y desarmables permiten un fácil traslado, además que por el tipo de materiales usados tiene una durabilidad de mínimo 10 años. El mantenimiento es sencillo igual, debido a que se centra sólo en mantener limpios y en buen estado los vidrios de la superficie. México tiene buen potencial para el desarrollo de este tipo de tecnologías, no solamente en cuanto a energía térmica, sino a fotovoltaica también; la disponibilidad para aventurarnos a aprovechar esta fuente renovable y limpia ya está al alcance de todos hoy en día. Tan sólo es cuestión de experimentar y tratar algo nuevo; tratar de reducir la contaminación o economizar la electricidad pueden ser algunas razones para ello. Pero sobre todo, por nuestro mundo, hay que tratar de “pensar en verde”. 62
  • 71. RECOMENDACIONES Algunas de las sugerencias que se pueden dar, a partir de la experiencia vivida, son las siguientes: Secciones de espejos: A la hora de cortar el vidrio para hacer la superficie reflectante del horno, es preferible sacar la mayor cantidad de secciones (triángulos) posible; entre mayor sea el número, el foco será más preciso. Puede resultar más laborioso el tener que hacer más partes y de menor tamaño, pero los resultados en cuanto a la concentración de calor serán mejores y el horno será más eficiente. Movimiento de la estructura: El horno aquí presentado es armable y desarmable, lo cual representa una ventaja a la hora de su traslado. Sin embargo, hay que desmontar todo o cargar el prototipo, lo que implica un difícil manejo del horno si se desea moverlo de un punto a otro mientras está en uso. Una solución para este problema puede ser la aplicación baleros o ruedas en el trípode, los cuales facilitarían su cambio de posición sin tener que desmontarlo. Seguridad: Es importante que cuando se esté manejando el recipiente negro o los alimentos, después de haber sido expuestos al sol un tiempo, la persona no tenga un contacto directo. El calor concentrado es lo suficiente como para provocar alguna quemadura si no se maneja con precaución. Siempre que se cocine, se debe usar guantes o algún trapo para aislar el calor. De igual manera, hay que usar lentes de sol a la hora de desmontar el horno, debido a que un solo movimiento de la superficie de vidrio refleja una cantidad de luz que puede aturdir o cegar a la persona. Aún cuando el horno solar tarde más en cocinar que el convencional, hay que tener presente que representa una mejor conservación de los alimentos, además de proteger nuestra salud y reducir tanto el daño tanto al medio ambiente como la tala de árboles. La tecnología siempre está mejorando y avanzando, por lo que es cuestión de tiempo para que este proyecto sea optimizado a un buen nivel de competitividad en todo el mundo. De igual manera, se puede experimentar, agregar o cambiar algunos aspectos del horno para aumentar la concentración de calor. Sólo hay que confiar, intentar y superar los obstáculos uno por uno. 63
  • 72. BIBLIOGRAFÍA Abengoa Solar. Energía solar para un mundo sostenible. Termosolar, [en línea]. Dirección URL: <http://www.solucar.es/corp/web/es/tecnologias/termosolar/tecnologia_propia/heliostato_sanluc ar_120/index.html> [Consulta: 13 Jul. 2010]. Afinidad eléctrica. Energías alternativas, la energía termosolar, [en línea]. Dirección URL: <http://www.afinidadelectrica.com.ar/articulo.php?IdArticulo=189> [Consulta: 13 Jul. 2010]. BAIRD, Colin. Química Ambiental. Editorial Reverté S. A., 1era ed., España, 2004, pp. 622. CABANILLAS LÓPEZ, Dr. Rafael E. Revista Epistemus. Ciencia, tecnología y salud. Universidad de Sonora, Junio, 2009, No. 6, pp. 100. CAMPILLO CUATLI, Héctor. Diccionario Escolar Academia Secundaria. Fernandéz Editores, 1era ed., México, 2002. pp. 599. DE BUEN, Odón. Guía para el desarrollo de proyectos de generación de electricidad con energía renovable en y para los municipios. Producido y revisado por la agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional y preparados por Abt Associates, Inc. México, 2010. pp. 114. Energía solar fotovoltaica. Por varios autores bajo la coordinación de José Mompín Poblet, director de la revista “Mundo electrónico”. Editorial Marcombo, S. A., 2da edición, España, 1985, pp. 249. GALVAN, Jessica, HERNÁNDEZ, Laura et al. El concentrador solar. Froylán Parroquín García, Cuernavaca, [en línea]. Dirección URL: <http://www.acmor.org.mx/cuam/2009/Secund- Ciencia/507-SecFed%20No1-ConcentradorSolar.pdf> [Consulta: 13 Jul. 2010]. I. CASTRO, Galindo, VALDÉS M., S. Catálogo de Metadatos geográficos. Comisión Nacional para el conocimiento y uso de la biodiversidad, [en línea]. Fecha de publicación: 15 de Agosto del 2001. Dirección URL: <http://www.conabio.gob.mx/informacion/metadata/> [Consulta: 14 Jul. 2010]. INVESMED. Una nueva adicción: Tomar el Sol, [en línea]. Dirección URL: <http://www.invesmed.com/wp-content/uploads/2007/09/sol.jpg> [Consulta: 12 Jul. 2010]. 64
  • 73. JCP. ¿De dónde nos llega la chispa? Crisis Energética, respuestas a los retos energéticos del SXXI. Aeren Aspo Spain, [en línea]. Dirección URL: <http://www.crisisenergetica.org/index.php?topic=Informes&page=2> [Consulta: 12 Jul. 2010]. J. NEBEL, Bernard y T. WRIGHT, Richard. Ciencias Ambientales. Energía y Desarrollo sostenible. Editorial Pearson Educación, 6ta ed., México, 1999, pp. 698. KinSolar Solutions. Antecedentes de la energía solar. Ingeniería solar, [en línea]. Dirección URL: <http://www.kinsolar.es/castellano/antecedentes-energia-solar.php> [Consulta: 12 Jul. 2010]. Laboratorio de Física II (1° Ingeniería Industrial). Ley de Radiación de Stefan-Boltzmann. Universidad Carlos III de Madrid, [en línea]. Dirección URL: <http://cocinasolar.files.wordpress.com/2009/11/parabola.pdf> [Consulta: 18 Jul. 2010]. M. COINSIDINE, Douglas. Redactado por 142 especialistas. Tecnología de las energías solar, hidráulica, geotérmica y combustibles químicos. Editorial Publicaciones Marcombo, S. A., 1era ed., México 1989, pp. 465. Traducción de la obra original Energy Technology Handbook. MACÍA G., Andrés Felipe, CHEJNE JANNA, Farid. Cocinas Solares. Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, [en línea]. Dirección URL: <http://redenergiaalternativa.org/biblioteca/extras/Cocinas%20Solares.pdf> [Consulta: 30 Jul. 2010]. MAYES, Lawrence. Guía para construir una superficie parabólica. Artículo traducido, [en línea]. Fecha de actualización: 25 de Diciembre del 2005. Dirección URL: <http://cocinasolar.files.wordpress.com/2009/11/parabola.pdf> [Consulta: 19 Jul. 2010]. O. A. Jaramillo y J. A. del Río. Diseño de un horno solar, Centro de Investigación en Energía UNAM, [en línea]. Temixco, Morelos, México. Dirección <http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar15/HTML/articulo05.htm> URL: [Consulta: 5 Jul. 2010]. PALACIO ROSAS, Gregorio. La energía solar en el Aula de Tecnología. Revista digital, Consejería de Educación de la Comunidad de Madrid, [en línea]. Dirección URL:<http://www.educa.madrid.org/portal/web/revista-digital/experiencias> [Consulta: 13 Jul. 2010]. Portal de la Universidad Tecnológica de Tabasco. Información general, [en línea]. Dirección URL: <http://www.uttab.edu.mx/pages/informacion/index.htm> [Consulta: 5 Jul. 2010]. 65
  • 74. Proyecto Explora. Capacitación en energía solar. Apuntes básicos. Energía solar y educación, Corporación de Desarrollo Ecomaipo 2005, [en línea]. Dirección URL:< http://explora.ecomaipo.cl/fichas/solar.pdf> [Consulta: 12 Jul. 2010]. RAMÍREZ SMITH, Gilberto. Formación cultural sobre medio ambiente a través del conocimiento de la energía solar. Publicaciones científicas, RevistaCiencias.com, [en línea]. Fecha de publicación: 18 de Diciembre del 2005. Dirección <http://www.revistaciencias.com/publicaciones/EEFuAElZZFwGTZvdWC.php> URL: [Consulta: 14 Jul. 2010]. Saberia.com. El Saber sí ocupa un lugar. ¿Por qué el color negro atrae el calor?, [en línea]. Dirección URL: <http://www.saberia.com/es/2010/07/por-que-el-color-negro-atrae-el-calor/> [Consulta: 18 Jul. 2010]. Sala de Prensa del Gobierno Federal. El consumo energético por iluminación en México, [en línea]. Secretaría de Energía. Ciudad de México, martes 5 de enero de 2010. Dirección URL: <http://presidencia.gob.mx/prensa/?contenido=51799> [Consulta: 5 Jul. 2010]. SÁNCHEZ GUILLÉN, José Luis. Biología de Bachillerato, fotosíntesis. EdoCastur Pando, [en línea]. Dirección URL: <http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2bch/B3_METABOLISMO/t32_FOTOSI NTESIS/TEST.htm> [Consulta: 19 Jul. 2010]. SANZ, Javier. Radiación solar en el agua, madregea, [en línea]. Fecha de publicación: 1 de Julio de 2008. Dirección URL: <madregea.blogspot.com/2008_07_01_archive.html> [Consulta: 12 Jul. 2010]. Solar Inti. Proyecto por el desarrollo de cocinas solares y ecológicas destinado a familias de bajos recursos. En la región noroeste de Argentina, en zonas que sufren desertificación, [en línea]. Fecha de publicación: 6 de Mayo del 2009. Dirección URL:< http://solarinti.blogspot.com/2009/04/grupo-6-28-hornos-solares-el-grupo.html> [Consulta: 14 Jul. 2010]. Taringa. Recetas para horno solar, [en línea]. Dirección URL:<http://www.taringa.net/posts/recetas-y-cocina/1857913/recetas-para-horno-solar.html> [Consulta: 30 Jul. 2010]. Terra.org. Ecología práctica. Cocina solar, [en línea]. Dirección URL:< http://www.terra.org/html/s/sol/cocina/intro.html> [Consulta: 14 Jul. 2010]. 66
  • 75. The Solar Cooking Archive. Cocinando con el Sol, [en línea]. Dirección URL: <http://solarcooking.org/espanol/> [Consulta: 14 Jul. 2010]. VALER, Roberto. Soluciones Solares, Energías renovables y ecología para todos. Mapas de radiación solar en el Perú y el mundo, [en línea]. Dirección URL: <http://solucionessolares.blogspot.com/2008/05/mapa-radiacin-solar.html> [Consulta: 30 Jul. 2010]. Wikipedia, la Enciclopedia Libre. Dirección URL: <http://es.wikipedia.org/wiki/Sol> [Consulta: 12 Jul. 2010]. 67
  • 76. ANEXOS 68
  • 77. A. Características de los grandes hornos solares de un solo helióstato 94 Capacidad térmica de 35-50 kilowatts Universidad Tohoku, Sendai, Japón Ejército Francés, Odeillo, Font-Romeu, Francia. Ejército de E.U., Lab. de efectos de armas nucleares,* White Sands, Nuevo México 1952 1962 1972 1974 10.5 x 13 14 x 15.5 13.2 x 17.5 11 x 12.2 34 x 43 46 x 51 43 x 57 36 x 40 540 238 638 356 50 x 50 90 x 100 50 x 50 62 x 62 19.7 x 19.7 35.4 x 39.4 19.7 x 19.7 24.4 x 24.4 Metros cuadrados 135 214 159.5 137 Pies cuadrados 1453 2306 1717 1473 Parabólica Parabólica Esférica Esférica 9 x 11 10 (diám.) 10 x 10 8.5 x 8.5 29.5 x 36 33 (diám.) 33 x 33 28 x 28 6 3.2 10.75 10.9 19.7 10.5 35.3 35.7 CNRS, Montlouis, Francia Fecha de operación HELIÓSTATO Tamaño Metros Pies Número espejos de Tamaño de cada espejo Centímetros Pulgadas Área total espejos de CONCENTRADOR Configuración Tamaño Metros Pies Longitud focal Metros Pies 94 COINSIDINE, Op. Cit., p. 5-55. 69
  • 78. A. (Continuación) Tamaño de cada espejo Centímetros 16 x 16 50 x 50 62 x 62 Pulgadas 6.3 x 6.3 19.7 x 19.7 24.4 x 24.4 Área total espejos 64 x 66 25.2 x 26 de Metros cuadrados 89.6 78.5 96 72.6 Pies cuadrados 964 845 1033 781 térmica 45 (est.) 35 (est.) 42.5 32 (est.) Eficiencia térmica (%) 55 (est.) 50 (est.) 48 50 (est.) 1200 … 580 400 Rendimiento Térmico ┼ Energía total Flujo máx. de calor (W/cm²) * Operado anteriormente por el ejército de E.U., Servicio de Intendencia, Natick, Mass., 1958. ┼ Basado en un aislamiento = 900 a 950 W/m². 70
  • 79. B. Características de los grandes hornos solares de helióstatos múltiples 95 200-1000 kilowatts Horno solar CNRS de 1000 kilowatts, Odeillo, Font-Romeu, Francia Universidad de Génova Génova, Italia 63 271 6 x 7.5 1 (diámetro) 19.7 x 24.6 3.3 (diámetro) 180 1 50 x50 100 (diámetro) 19.7 x 19.7 39.4 (diámetro) Metros cuadrados 45 0.785 Pies cuadrados 484 2.69 11 340 2.71 2835 212.7 30 515 2.291 HELIÓSTATO Número de helióstatos Tamaño de cada helióstato Metros Pies Número de espejos en cada helióstato Tamaño de cada espejo Centímetros Pulgadas Área de helióstato espejos en cada Número total de espejos en los helióstatos Área total de helióstatos Metros cuadrados Pies cuadrados CONCENTRADOR Tamaño Metros Pies 95 40 x 54 131 x 177 Ibidem, p. 5-62. 71
  • 80. B. (Continuación) Número de espejos 9500 No concentradores Tamaño de cada espejo Centímetros 45 x45 Pulgadas 17.7 x 17.7 Área total de espejos Metros cuadrados 1923 Pies cuadrados 20 707 RENDIMIENTO TÉRMICO* Energía térmica total (kW) 1000 130 58 115 Eficiencia térmica máxima (%) … 68 Flujo térmico máximo (W/cm²) 1600 30 Energía térmica horas (kW) promedio/8 * Basado en un aislamiento = 900 a 950 W/m². Nota: Los datos mostrados para la instalación de la Univ. de Génova corresponden a la Unidad 1, operada por primera vez en 1967. Una segunda unidad comparable inició operaciones en 1972. El elemento especular de la Unidad 2 tiene 86 cm de diámetro. La energía térmica total es de 100 kW, la energía térmica promedio por 8 horas de 88 kW, y la eficiencia térmica máxima es del 70%. 72
  • 81. C. Resumen de especificaciones técnicas de algunas cocinas solares comerciales 96 96 MACÍA G., Andrés Felipe, CHEJNE JANNA, Farid. Cocinas Solares. Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, [en línea]. Dirección URL: <http://redenergiaalternativa.org/biblioteca/extras/Cocinas%20Solares.pdf> [Consulta: 30 Jul. 2010]. 73
  • 82. C. (Continuación) D. Potencia total entregada por el Sol en diversos casos de condiciones atmosféricas CONDICIONES ATMOSFÉRICAS POTENCIA TOTAL (Mw/cm²) Fuera de la atmósfera 135 Nivel del mar. Sol en el cénit, día claro 106 Nivel del mar. Humedad relativa del 50% 89 Nivel del mar. Día claro. Sol a 60° del cénit. 97 88 97 Mompín Poblet, Op. Cit., p. 14. 74
  • 83. E. Radiación solar media (Primavera) F. Radiación solar media (Verano) 98 99 98 I. CASTRO, Galindo, VALDÉS M., S. Catálogo de Metadatos geográficos. Comisión Nacional para el conocimiento y uso de la biodiversidad, [en línea]. Fecha de publicación: 15 de Agosto del 2001. Dirección URL: <http://www.conabio.gob.mx/informacion/metadata/> [Consulta: 14 Jul. 2010]. 99 IDEM. 75
  • 84. G. Radiación solar mundial 100 H. Concentrador solar aplicado en forma de horno 100 VALER, Roberto. Soluciones Solares, Energías renovables y ecología para todos. Mapas de radiación solar en el Perú y el mundo, [en línea]. Dirección URL: <http://solucionessolares.blogspot.com/2008/05/mapa-radiacin-solar.html> [Consulta: 30 Jul. 2010]. 76

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