Estándares para evaluar el desempeño térmico de cocinas solares

 
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Estándares para evaluar el desempeño térmico de cocinas solares

                    MME. Hermelinda Servín Campuzano.. e-mail: merlysc@gmail.com.
                        Dr. Mauricio González Avilés. e-mail: gamauricio@gmail.com.
    Universidad Intercultural Indígena de Michoacán, Licenciatura en Desarrollo Sustentable, Terminal de
          Tecnologías Alternativas. Tel. 4431706118 Dirección postal: Finca la Tzipekua Carretera
                                  Pátzcuaro-Huecorio km 3, código postal 61614.

Resumen.

La necesidad de cocinar alimentos para la nutrición es fundamental en casi todas las sociedades y la
energía solar puede ser aprovechada para satisfacer esta necesidad, por lo cual representa                          una de
alternativas energéticas para cocinar los alimentos. Actualmente en muchos lugares del mundo, se
estudia una amplia variedad de dispositivos diseñados para aprovechar la energía del sol y cocinar
alimentos, los cuales varían en gran medida en diseño, de acuerdo al lugar y época del año donde se
utilizan. Por lo antes mencionado se ha hecho una necesidad tener estándares internacionales que
comparen el desempeño entre cocinas solares. En el presente trabajo se describen los principales
estándares internaciones que son los de mayor uso y aceptación.

Palabras clave: cocina solar, protocolo de evaluación, estándares internacionales, desempeño térmico.

INTRODUCCIÓN

La necesidad de cocinar alimentos para la nutrición es fundamental                    y la energía solar puede ser
aprovechada para contribuir a satisfacer esta necesidad sin los problemas ambientales y de salud que se
asocian con el uso la mayoría de otros combustibles. Hoy en día existe una amplia variedad de
dispositivos diseñados para aprovechar la energía del sol y cocinar alimentos (cocinas solares1), por
desgracia, a menudo es difícil comparar estos dispositivos. Esto se debe principalmente a la falta de un
estándar capaz de normalizar las pruebas rigurosas de datos medidos a las condiciones ambientales, los
cuales varían de acuerdo al lugar y época del año.

Se sabe de la existencia de normas en uso a nivel mundial, pero también en ocasiones sabe que son
difíciles de conseguir y aplicar. Dentro de las normas internacionales más conocidas están por ejemplo
el trabajo elaborado por Funk y Larson (2000), que establece un procedimiento riguroso para la
realización de pruebas térmicas de cocinas solares y proporciona un marco para el establecimiento del
“potencia de cocción” normalizado a una insolación uniforme. Otra norma es la elaborada por el Comité
Europeo para la Investigación de Cocinas Solares en 1992 (ECSCR, 1992), por sus siglas en inglés, que

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       Una cocina solar es un dispositivo que sirve para cocinar y puede ser una estufa, un horno, un comal, etc.
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incluye varios parámetros, con muchos factores cualitativos tales como la facilidad de uso y seguridad;
también existe una norma internacional que se realizo en la India, está norma utiliza un método de
análisis basado en el trabajo de Mullick et al. (1987) que utiliza cifras derivadas de los factores de mérito
basados en el rendimiento térmico para evaluar cocinas solares. Lo que no tienen estas normas es
compatibilidad ya que varían entre sí, cada uno tiene sus propias fortalezas y debilidades, esto trae como
consecuencia problemáticas para el usuario de cocinas solares al no poder realizar comparaciones.

A continuación se describen los protocolos asociados a las normas o pruebas estándares.

Estándar de la American Society of Agricultural Engineers Standard ASAE S580

Esta norma fue desarrollada originalmente por el Dr. Paul Funk como un estándar de prueba internacional
de cocinas solares. La necesidad de una norma de este tipo fue considerada y propuesta en la “Third
World Conference on Solar Cooking”, en enero de 1997 (Funk, 2000). El objetivo de esta norma es
producir una sencilla medida objetiva, pero significativa del rendimiento de cocinas solares y que no
fuera tan complicada para poderse realizar en las zonas poco desarrolladas.

En la norma ASAE S580 se registra la temperatura promedio dentro de una olla con agua, mientras que la
cocina es operado bajo un conjunto de directrices que figuran en el procedimiento estándar en cuanto el
seguimiento, carga térmica, etc. las mediciones de temperatura promedio del agua se toman en intervalos
de 10 minutos. Temperatura ambiente e irradiancia directa (flujo de energía solar por unidad área)
también se miden y registran, también al menos cada 10 minutos. En condiciones de viento fuerte
(>) durante más de 10 minutos, alta variación de la insolación ( (insertar el símbolo de +-)) baja
          insolación o baja temperatura ambiente (>grados centígrados), las pruebas se invalidan. La
           principal   figura   de   mérito         utilizado por ASAE S580 es la potencia de cocción (P).
El cálculo se realiza, mediante el siguiente procedimiento.

                                                                                                      Ec. (1)

                  Donde:
                  P = potencia de cocción (W)

                  T2 = temperatura final del agua

                  T1 = temperatura inicial del agua

                  m = masa de agua (kg)

                  cp = calor específico del agua (4168 kJ / kgK)

                                                                                                           2
La ecuación (1) se divide por 600 que representa el número de segundos en el intervalo de 10 minutos.

P está normalizado a un valor de 700 W/m2 a través de la siguiente ecuación.

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                  Donde:
                  I = insolación promedio en el intervalo de tiempo (W/m2)

                  P = potencia de cocción (W)

                  Ps = potencia de cocción estandarizada (Ps)

Se realiza la gráfica de Ps como función de la diferencia de la temperatura del agua y del ambiente   ∆T
=Tagua-Tambiente, y se aplica la técnica de regresión lineal.   La prueba es válida si el coeficiente de
determinación (R2 ponerlo en modo ma fórmula) es mayor de 0.7.

Para estandarizar procedimientos, se establece que se debe reportar la potencia de cocción estándar
(ASAE, 2003), que corresponde a una diferencia de temperatura de       ∆T=50ºC.

Al mismo tiempo que ASAE S580 cumple sus objetivos de proporcionar una prueba sencilla para
establecer una figura de mérito comprensible y universal (la potencia de cocción estandarizada), pero la
prueba es insuficiente en varias aspectos. Aunque nunca fue mencionado como uno de los objetivos de
este estándar de prueba, cabe mencionar que ASAE S580 no toma en cuenta cuestiones diferentes del
rendimiento térmico de la cocina solar.

En cuanto a desventajas, debido a que solo aporta una única figura o factor de mérito es prácticamente
imposible de evaluar el rendimiento térmico por qué no considera mediciones de las pérdidas de calor.
Por lo tanto, cualquier uso de la norma ASAE para analizar el rendimiento de una cocina, en lugar de
simplemente comparar su rendimiento a otra cocina sería muy difícil.

Desde una perspectiva cualitativa, ASAE S580 no toma en consideración               cuestiones tales como:
facilidad de uso, seguridad, o las cuestiones financieras relacionadas con las cocinas bajo prueba.

Bases del método de prueba de la Bureau of Indian Standards

Esta metodología se basa en procedimientos para pruebas térmicas de cocinas tipo caja, fue propuesta
por Mullick et al. (1987). Esta norma, presenta en un marco más técnico que ASAE S580, dispone de dos
figuras o factores de mérito, calculados de manera tal que sean lo más independiente posible de las

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condiciones ambientales (como la velocidad del viento, la insolación, etc. ). Estos dos factores están
dados por las siguientes ecuaciones:

                        T p − Ta
                 F1 =
                          Hs
                                                                                                Ec. ( 3)

                                                     Y

                    1 T −T  
                 1 −  w1 a  
      F (MC)w  F1  H                                                                        Ec. ( 4)
  F2 = 1     ln
         At         1  Tw2 − Ta  
                   −
                 F  H 
                 1
                     1          

        Donde:

        Tp = temperatura de la placa absorbedora (temperatura de estagnación)

        Ta = temperatura del ambiente

        Hs = insolación en una superficie horizontal (medida en el tiempo en que la temperatura de
        estagnación se alcanza)

        M = masa de agua

        C = calor específico del agua

        A = área de apertura

        t = tiempo

        Tw1 = temperatura inicial del agua

        Tw2 = temperatura final del agua

        H = insolación horizontal (promedio)

Mediante la determinación de una temperatura de referencia y resolviendo la (ec. 4) para t, se determina
una curva que describe, para un determinado conjunto de condiciones, el tiempo en que la cocina se
alcanzará esta temperatura de referencia. Desafortunadamente, la metodología estándar de Mullick, como
la de ASAE S580, no se incluyen los numerosos factores cualitativos que pueden ser igualmente
importantes cuando se evalua el redimiento de una cocina solar y su viabilidad.

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Prueba estándar del European Committee on Solar Cooking Research

El estándar propuesto por el      European Committee on Solar Cooking Research(ECSCR) explora un
alcance más amplio que las dos normas mencionadas anteriormente. Gran parte de la prueba se orienta a
la observación de factores de seguridad, la facilidad de acceso a la olla, durabiliadad estimada y otros
factores un tanto subjetivos pero que pueden resultar de utilidad. La ECSCR estándar también incluye un
análisis térmico exhaustivo. Por lo cual en está prueba requiere de una mayor cantidad de registros. Se
incluyen además datos sobre la construcción. Los datos son adquiridos siguiendo las siguientes
condicionantes, de la llamada “prueba básica”:

         •   El agua es precalentada hasta los 40C is antes de introducirla al recipiente de la cocina, a
             partir de ahí se registra la temperatura pos dos horas en torno al medio día solar (entre
             11:00-13:00 tiempo solar).

         •   La cocina se orienta al sol y no se reorienta. Se registra el tiempo en la que la temperatura
             del agua alcanza los 80C.

         •   Aceite a 40C, es calentado en la cocina solar de 11:00-13:00 y se registra la temperatura
             máxima.

         •   Se registra el tiempo cuando el aceite alcanza los 100C. Se retira al cocina del sol y se
             deja enfriar el aceite.

         •   Las pruebas se repiten sin precalentar los fluidos de trabajo (agua y aceite).

         •   De las pruebas de calentamiento anterior, se retira la tapa de la olla y se registra el tiempo
             cuando el agua se enfria hasta los 80C. agitando ocasionalmente el agua.

         •   Orientando la cocina a un bajo ángulo solar y se calienta agua a 40C. La temperatura se
             registra como función del tiempo. Esta prueba es importante para probar el rendimiento de
             la cocina en las mañanas y tardes.

En este estándar, se indican muchas otras pruebas que se pueden realizar, pero lo anteriormente descrito
representa "prueba básica". Las condiciones generales para llevar a cabo cualquiera de las anteriores
pruebas con este estándar son los siguientes:

         •   Temperatura ambiente: 25C-35C

         •   Velocidad del viento < 4 m/s (en la cocina)

         •   Irradiancia global (horizontal) >800 W/m2

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•   Fracción de irradiancia difusa < 20%

Una de las ventajas de este procedimiento es que no hay necesidad de medir la componente normal de la
irradiancia, que generalmente requiere de un piranómetro con mecanismo de seguimiento. Esto elimina
algunos costos adicionales, lo que hace que las pruebas más baratas y más fáciles de realizar. Por otra
parte, las numerosas observaciones cualitativas son muy útiles a la hora de determinar la eficacia de una
cocina particular, como se señaló anteriormente. Por desgracia, el estándar ECSCR se queda corto en
varios puntos clave.

En primer lugar, la prueba térmica estándar se basa totalmente en las mediciones de tiempo necesario para
tener ciertas condiciones (por ejemplo, el tiempo requerido para que el agua alcance los 80 C ). Si bien
esto puede parecer muy útil a primera vista para el usuario promedio, y es sin duda una medición
aceptable para la comparación de las cocinas que se hayan probado simultáneamente; pero en los casos
cuando las pruebas se lleven en cabo en condiciones muy dierentes, es muy susceptible a errores e
inexactitudes.

 En el estándar ECSCR no se consideran normalizaciones. Por ejemplo, para la misma temperatura
ambiente en dos diferentes días de prueba, la insolación horizontal podría diferir notablemente
(posiblemente 25% o más). Esto podría cambiar drásticamente los resultados obtenidos, y claramente las
cocinas de las dos pruebas no puede compararse sin algún tipo de estrategia de normalización que no se
propone en el estándar ECSCR estándar.

En segundo lugar, el procedimiento de la prueba indica que los recipientes contenedores deben llenarse a
"la mitad de su volumen nominal ". Sólo necesitaría una diferencia pequeña y los resultados de la prueba
se podrían alterar. Por lo cual, el criterio de llenado      no representa un criterio riguroso para la
estandarización de las pruebas.

Por último, se puede decir que el procedimiento de prueba de cocinas solares propuesto por ECSCR es
bastante completo, pero no es apropiado en algunas circunstancias. El tiempo requerido para la prueba
básica es de 3 días (considerando los criterios marcados). Mientras que esto puede ser ideal para probar
un gran número de cocinas a la vez, como se ha hecho en la ciudad de Almería (ECSCR, 1993), una
prueba estándar ideal tendría que permitir la prueba con exactitud de una sola cocina a la vez y de forma
simultánea obtener resultados significativos, reproducibles y útiles.

CONCLUSIONES

Es importante el conocimiento de la existencia de estándares internacionales para evaluar el desempeño
de cocinas solares,en diferentes lugares del mundo.

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Se ha realizado una revisión bibliográfica en torno a los estándares de prueba para el rendimiento de
cocinas solares. Existen tres protocolos de estándares que tienen una mayor aceptación a nivel mundial:
el Estándar internacional de Funk (ASAE S580), el de la Bureau of Indian Standards y la del European
Committee on Solar Cooking Research.

Actualmente, existen diversas propuestas en donde se aplican y en ocasiones se combinan los diferentes
criterios de los estándares dependiendo de las condiciones y facilidad de aplicación de los protocolos
correspondientes.

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