Metodología para el diseño conceptual de cocinas solares

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Metodología para el diseño conceptual de cocinas solares
METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL DE
                  COCINAS SOLARES

      METHODOLOGY FOR THE CONCEPTUAL DESIGN OF
                  SOLAR KITCHENS

                                                     A. F. MACÍA G.
 Instituto de Energía-Escuela Procesos. Y Energía, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín.
                                             afmacia@unalmed.edu.co

                                                   D.A ESTRADA V.
     Instituto de Energía-Escuela Procesos. Y Energía, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín

                                                       F. CHEJNE J.
       Instituto de Energía-Escuela Procesos. Y Energía, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín

                                                   H. I. VELÁSQUEZ
       Instituto de Energía-Escuela Procesos. Y Energía, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín

                                                       R. RENGIFO
     Instituto de Energía-Escuela Procesos. Y Energía, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín

         Recibido para revisar 10 de Junio de 2004, aceptado 3 de Agosto de 2004, versión final 17 de abril de 2005

           RESUMEN: Se ha presentado una descripción detallada de la metodología para el diseño
           conceptual de cocinas solares, el cual permite su diseño detallado. La metodología se basa
           en tres fases principales que han sido natural e intuitivamente identificadas dadas las
           características y condiciones propias del proyecto: fase conceptual, fase de detalle y fase de
           ejecución.

           PALABRAS CLAVE: Cocinas solares, energía solar, radiación

           ABSTRACT: A detailed description of the methodology for the conceptual design of solar
           kitchens has appeared, which allows its detailed design. The methodology is based on three
           main phases that natural and have been very intuitively identified given to the
           characteristics and conditions of the project: conceptual phase, detail phase and execution
           phase.

           KEYWORDS: solar kitchen, solar energy, radiation

1.         INTRODUCCIÓN                                           (Ross,2002; Gordon, 1996). La desigual
                                                                  distribución de los recursos energéticos
Las cocinas solares son un ejemplo perfecto
                                                                  aunado a los bajos niveles de vida, los bajos
de tecnologías apropiadas que proveen
                                                                  ingresos y la adolescencia de adecuados
alternativas  para    coadyuvar    en    el
                                                                  servicios     públicos      (luz,  acueducto,
mejoramiento de las condiciones de vida de
                                                                  alcantarillado y teléfono), en muchas regiones
cientos de miles de personas en Colombia
                                                                  y lugares del país, hacen necesario el estudio

                                    Dyna, año 72, Nro. 146, pp. 65-88. Medellín, Julio de 2005. ISSN 0012-7353
Metodología para el diseño conceptual de cocinas solares
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y la aplicación de este tipo de tecnologías              se plantea una metodología basada en tres
alternativas eficaces y de bajo costo.                   fases principales que han sido natural e
                                                         intuitivamente identificadas dadas las
Además la importante disponibilidad del                  características y condiciones propias del
recurso energético solar ( Rodríguez y                   proyecto: fase conceptual, fase de detalle y
Gonzáles, 1992) a lo largo del año en nuestro            fase de ejecución. La fase conceptual
país, los estudios e investigaciones recientes           considerada una de las más importantes de
acerca de los materiales y principalmente                todo el proceso global y por tal motivo, se
acerca del mejoramiento de la eficiencia,                dará una descripción detallada en esta
sugieren reconsiderar el tema de las cocinas             monografía.
solares, reconstruyendo los prototipos
existentes o desarrollando algunos nuevos. El            El diseño conceptual (Pahl and Beitz, 1998;
uso de las cocinas solares permite reducir el            Wiston, 1994; Jenkins and Wiston, 1996;
consumo de combustibles convencionales,                  Feueman and Gordon, 1998; Harrison, 2001)
proteger los bosques y la degradación de los             es     la    etapa   de     contextualización,
suelos, reduce la incidencia de las                      conceptualización, y formulación del
enfermedades respiratorias y oculares por los            proyecto. La idea principal de esta fase es
humos, puede reducir la incidencia de las                hallar los parámetros básicos de diseño que a
enfermedades diarreicas, puede usase para                través de un marco teórico sólido posibilitan
esterilizar diferentes elementos o instrumental          la presentación de propuestas de solución. En
quirúrgico.                                              la fase de diseño de detalle se realiza la
                                                         estructuración de la solución o soluciones
En muchos países en desarrollo estos                     previamente seleccionadas. Se hace un
dispositivos pueden jugar un papel muy                   dimensionamiento detallado de los diferentes
importante en el mejoramiento de la salud al             elementos que componen el sistema y se
permitir la disminución de la exposición a los           evalúan los métodos y materiales de
gases producidos por la quema de madera                  construcción según su costo y disponibilidad.
para cocinar, a la vez que reduce la presión
sobre los recursos forestales.                           En     la    actualidad     los   estudios   e
                                                         investigaciones en el área están encaminados
Por lo tanto los mercados identificados para             al modelamiento, simulación y evaluación del
el empleo de estos dispositivos son los                  desempeño y al nuevo diseño de prototipos o
lugares donde no hay disponibilidad o acceso             al mejoramiento de algunos ya existentes. En
a la energía eléctrica y/o al gas. Ejemplo de            el Centro de Energía Solar de Florida
esto son regiones que se encuentran por fuera            trabajaron en simulación del desempeño
de la red de transmisión eléctrica nacional,             térmico, simulación del desempeño óptico,
donde incluso el consumo doméstico de                    estudio de materiales aplicables a las cocinas
energía     eléctrica   en    zonas     rurales          solares, desarrollo de un prototipo,
electrificadas es generalmente muy bajo y los            realización de pruebas y la determinación en
habitantes prefieren el uso de la leña u otro            la    factibilidad del policarbonato como
energético (GLP, gasolina, briquetas de                  material a emplear para lograr el efecto
carbón, etc) para la cocción de sus alimentos,           invernadero en las cocinas solares (Solar
y zonas marginales en las grandes ciudades.              Energy Centre, 2002); Passamai y
Los beneficios de las cocinas solares podrían            colaboradores realizaron estudio bibliográfico
también extenderse al campo del turismo,                 y puesta al día en el desarrollo de cocinas
campamentos y campos de trabajo en                       solares tipo caja, realizaron una comparación
regiones donde su aplicación sea viable.                 de dos cocinas: una pesada y una liviana con
                                                         una cocina de gas convencional y
Con el objeto de emprender un programa de                adicionalmente, desarrollaron un modelo
diseño y construcción de cocinas solares para            matemático que predice el comportamiento
zona no interconectadas y de bajos recursos,             térmico de dichos equipos (Passamai et. al.,
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2000; Passamai, 2000); Mohamad and Kader             construcción de concentradores ideales con
estudiaron los efectos de varios diseños de          base en el método de rayos marginales
cocinas solares (Mohamad and Kader, 1998).           (Wiston, 1996); Gordon (1998),elaboró un
Jonson and Edwards desarrollaron un metodo           método de aceptancia variable de rayos
de diferencias finitas para la simulación de         marginales para maximizar la concentración
una cocina solar con almacenamiento                  en absorbedor con una configuración
sensible, las unidades de almacenamiento             determinada.
estan hechas de fundición y otra de granito
(Jonson, R and Edwards J, 1994); El                  La descripción técnica de los sistemas de
departamento de tecnología térmica solar             cocción se hace a partir de datos
realizó observaciones en las ratas de                suministrados por los fabricantes o mediante
calentamiento y temperaturas máximas                 pruebas realizadas por diferentes instituciones
alcanzadas en la cocina solar de la empresa          o grupos interesados en el área. Los factores
SUN OVEN ( Sandia national laboratorios,             que inicialmente sirven de evaluación que
1997); EL comité para la energía solar               tratan de ser aspectos estándar de medición
estableció una prueba estándar cuyo objeto es        del     desempeño,      la   aplicabilidad    y
promover uniformidad y consistencia en las           aceptabilidad      son:     velocidades      de
pruebas y métodos de clasificación de las            calentamiento,       temperatura        máxima
cocinas solares ( ASAE, 2001); Harrison              alcanzada, área de apertura, frecuencia de
trabajó en la identificación de materiales           reposicionamiento, capacidad, dimensiones,
reflectivos para posible uso en cocinas solares      peso, portabilidad y costos. En las Tablas 1, 2
(Harrison, 2001); EL laboratorio nacional de         y 3 se presentan un resumen de diferentes
energía renovable realizó la caracterización         diseños de cocinas solares desde el punto de
de superficies selectivas y descripción de los       vista técnico, a la vez que pueden observarse
diferentes tipos de absorbedores ( NREL,             numerosas configuraciones de estos sistemas.
2002); Wiston desarrollo un principio de
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                                               Tabla 1. Resumen de especificaciones técnicas de algunas cocinas solares comerciales
                                               Table 1. Summary of engineering specifications of some commercial solar kitchens
                                                                                                       Modelos de cocinas
Empresa productora

            Cocinas

Tipo de cocina                      Caja con reflectores externos     Caja con reflectores externos   Caja con reflectores externos   Caja                Caja con reflectores externos
Modelo                              Villager Sun Oven                 Global solar oven               T16                             ULOG                Solar baken over
Dimensiones (m)                     1.2x1.2x1.8                       0.5x0.5x0.28 sin reflectores    0.72x0.48x0.28                  0.67x0.67x1.05      0.5x0.4x0.3 sin reflectores
Área de apertura (m2)               -                                 0.25                            -                               0.24                0.20
Capacidad (L)                       -                                 -                               2.5                             2.5                 -
Máxima temperatura                  -                                 -                               -                               91 ºC en 120 min.   -
(agua)
Máxima temperatura (aceite)         -                                 -                               -                               125ºC en 130min.    -
Máxima temperatura (cocina vacía)   >260ºC                            >180ºC                          >180ºC                          -                   >180ºC
Peso (kg)                           444                               10                              14                              -                   -
Metodología para el diseño conceptual de cocinas solares
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                          Tabla 2. Continuación resumen de especificaciones técnicas de algunas cocinas solares comerciales
                          Table 2. Summary of engineering specifications of some commercial solar kitchens
                                                                                   Modelos de cocinas
Empresa productora

          Cocinas

Tipo de cocina                Caja                         Concentración       Caja - eléctrica         Concentración         Concentración
Modelo                        Sunstove                     Freedom cooker ll   Nutrenguard              SK12                  Papillon
Dimensiones (m)               0.64x0.64x0.38               -                   0.56x0.53x0.21           1.4x1.6x1.25          -
Área de apertura (m2)         0.28                         -                   0.23                     1.54 reflector        2
Capacidad (L)                 1.5                          -                   -                        6                     6
Máxima Temperatura (agua)     87 en 120 min                -                   -                        96 en 150 min         80 en 20 min
Máxima temperatura (aceite)   114ºC en 130 min             -                   -                        198 en 130 min        -
Máxima temperatura (cocina    -                            >180ªC              >150ªC                   -                     >300ªC
vacía)
Peso (kg)                     -                            12                  -                        -                     -
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                                         Tabla 3. Continuación resumen de especificaciones técnicas de algunas cocinas solares comerciales
                                         Table 3. Summary of engineering specifications of some commercial solar kitchens
                                                                                           Modelos de cocinas
Empresa productora

            Cocinas

Tipo de cocina                      Concentración               Concentración         concentración             Concentración          Concentración
Modelo                              Solar reflex 600            Square parabolic      I”Zola stove              Sun flash
Dimensiones (m)                     0.6x0.6                     0.9x0.9               0.9x0.8x0.3               -
Área de apertura (m2)               -                           -                     1.2                       -                      -
Capacidad (L)                       -                           -                     -                         -                      -
Máxima Temperatura (agua)           -                           -                     -                         -                      -
Máxima temperatura (aceite)         -                           -                     -                         -                      -
Máxima      temperatura   (cocina   280ªC                       280ªC                 -                         -                      -
vacía)
Peso (kg)                           -                           -                     18                        -                      -
Metodología para el diseño conceptual de cocinas solares
Dyna 146, 2005                                         71

                                                       2.1  ELEMENTOS      COMUNES
2.    CONCEPTO Y GENERALIDA-
                                                       CONSTITUTIVOS DE LAS COCINAS
DES DE LAS COCINAS SOLARES
                                                       SOLARES
Las cocinas solares representan una
                                                       Los principios de la óptica geométrica y la
aplicación de la energía solar efectiva,
                                                       física térmica envueltos en el desarrollo de
simple y de bajo costo. Estos dispositivos,
                                                       las cocinas solares son los relacionados con
cuya construcción es factible a partir de
                                                       la reflexión y transmisión de la luz
diferentes materiales de disponibilidad
                                                       (radiación de onda corta), la absorción de la
local, emplean los principios básicos de la
                                                       radiación, la transformación de ésta en
óptica geométrica y la física térmica para
                                                       energía térmica (radiación de onda larga) y
producir calor, lográndose temperaturas
                                                       la limitación de la transferencia hacia el
(alrededor de los 120º C) y ratas de
                                                       medio circundante de la misma. El manejo
calentamiento que permiten la cocción de
                                                       físico y operativo de estos factores conlleva
una amplia variedad de alimentos, a la vez
                                                       a que todos los sistemas de cocción solar
que amplían su utilización a la pasterización
                                                       tengan elementos comunes, ver Figura 1,
de agua y la esterilización de elementos
                                                       con configuraciones y combinaciones
médicos.
                                                       diferentes, pudiendo estar presentes todos, o
                                                       sólo parte de ellos, en un sólo diseño.

                                                                  Reflector
   Reflector

                                                                              Absorbedor (olla)

                      Cubierta
   Reflector
                                 Aislamiento

                Absorbedor

                         Figura 1. Elementos comunes constitutivos de una cocina solar
                         Figure 1. . Constituent common elements of a solar kitchen

2.1.1   Reflectores                                    rápidas (mayor velocidad transformando la
                                                       energía solar en energía térmica y
Los reflectores se emplean como elementos
                                                       alcanzando la temperatura de equilibrio),
de       captación,       transmisión       y
                                                       permitiendo luego transferir está energía
direccionamiento de la energía solar. La
                                                       por conducción al recipiente de cocción. El
principal propiedad que deben tener es que
                                                       uso del absorbedor como entidad específica
puedan manejar la radiación con la mayor
                                                       no siempre es necesario, en algunos
eficiencia posible, es decir, reduciendo las
                                                       diseños, el recipiente hace las veces de
pérdidas ópticas (propias de la geometría
                                                       receptor con la ventaja de suprimir las
del sistema) y las pérdidas térmicas (propias
                                                       pérdidas debidas a la transferencia por
del material con el que están hechos).
                                                       conducción, pero con la desventaja de
                                                       requerir configuraciones geométricas que
2.1.2   Absorbedor                                     requieren reubicaciones mucho más
Con el absorbedor o receptor se logra un               frecuentes para una operación adecuada,
mayor control sobre el flujo de radiación              además de que es propio de estas
que ingresa al sistema, ya que con él se               configuraciones     tener    valores     de
pueden dar ratas de calentamiento más                  concentración más altos lo cual se traduce
Metodología para el diseño conceptual de cocinas solares
72                                          Macía et al

en temperaturas de operación más elevadas             disminuir considerablemente el flujo de
lo que podría no ser del todo deseable.               energía térmica hacia él.
2.1.3   Cubierta                                      2.2   CLASIFICACIÓN            DE    COCI-
                                                      NAS SOLARES
Este componente puede tener diferentes
formas dependiendo de dónde y cómo vaya               Existen varios tipos de cocinas solares,
ubicado. En una cocina tipo caja es la                cerca de cincuenta diseños principales,
puerta de entrada para la radiación solar y           algunos de ellos patentados, y cerca de cien
define un encerramiento. En una cocina de             variaciones de éstos. Los diferentes tipos de
concentración igualmente puede definir un             cocinas pueden reunirse en tres grupos
encerramiento o estar solamente alrededor             principales: cocinas tipo caja, cocinas
del recipiente de cocción. Su propiedad más           concentradoras y cocinas indirectas.
importante es que debe ser transparente a la          Las cocinas tipo caja Consisten en una
radiación solar y opaca a la radiación                cámara térmica aislada, cubierta en su
térmica para atrapar el calor y producir el           interior por superficies reflectoras y en
efecto invernadero reduciendo de esta                 donde por una de sus caras entra la
forma las pérdidas térmicas y aumentando              radiación solar. Son muy populares y
la potencia del sistema.                              pueden construirse con materiales muy
                                                      baratos. Su temperatura típica de operación
2.1.4   Aislamiento
                                                      se encuentra entre los 80 y los 120º C. Ver
Como su nombre lo indica su objetivo es               Figura 2.
aislar el sistema del medio circundante y así

                        Figura 2. Algunos modelos de cocinas solares tipo caja.
                        Figure 2. Some models of solar kitchens type box.

Las cocinas de concentración se utiliza               ubica en la zona focal. Su temperatura de
superficies     reflectoras      parabólicas,         operación se alcanza rápidamente y su
cilíndricas,            cilindro-parabólicas,         magnitud depende en gran medida de la
paraboloides o esféricas según sean                   calidad de las superficies reflectoras, estas
bidimensionales o tridimensionales, o                 temperaturas se hallan entre los 70 y 220º
superficies   simplemente       planas.   El          C. Ver Figura 3.
recipiente que contiene los alimentos se
Metodología para el diseño conceptual de cocinas solares
Dyna 146, 2005                                             73

                 Figura 3. Algunos modelos de cocinas solares de concentración
                 Figure 3. Some models of solar kitchens of concentration

Por último, en los hornos indirectos, se                 En las cocinas tipo caja la ganancia de
utilizan colectores solares convencionales               energía se da cuando la radiación incidente
usados en el calentamiento de agua, pueden               sobre la superficie receptora es absorbida y
ser colectores de placa plana o de tubos de              transformada en energía térmica, esta
calor, éstos calientan un fluido de trabajo              ganancia puede aumentarse al utilizar
que es enviado a calentar el horno o                     reflectores adicionales y con una
recipiente donde se cocinan los alimentos.               orientación precisa de la cubierta. El
Una de las ventajas de estos sistemas es que             almacenamiento de energía se obtiene
permite cocinar en el interior de la casa,               debido a la irradiación térmica de los
pero son más complicados y costosos.                     objetos en el interior del encerramiento que
                                                         se van calentando, esta radiación de onda
2.3      PRINCIPIOS DE DISEÑO
                                                         larga no puede escapar (efecto invernadero)
Los aspectos que deben tenerse en cuenta a               y contribuye a la acumulación de energía en
la hora de diseñar, construir y/o optimizar              la cocina, por lo tanto la energía se
una cocina solar se relacionan con la                    almacena en el aire atrapado, en la
ganancia de energía, el almacenamiento de                superficie receptora y en el alimento que
energía y con las pérdidas de energía.                   esta siendo cocido. Ver Figura 4.

Figura 4. Principios de diseño, se muestran los flujos de energía: radiación incidente, efecto invernadero,
pérdidas y cambios de aire en cocina tipo caja. Radiación incidente y pérdidas en cocina de
concentración.
Figure 4. Principles of design, energy flows: incident radiation, effect conservatory, air losses and
changes in kitchen type box. Incident radiation and losses in concentration kitchen
Metodología para el diseño conceptual de cocinas solares
74                                         Macía et al

En las cocinas de enfoque la ganancia de            2.4   SEGURIDAD           ALIMENTARIA
calor se logra por concentración directa de         EN LA COCCIÓN
la radiación solar sobre el recipiente que
                                                    La salubridad de los alimentos cocidos por
contiene los alimentos. El almacenamiento
                                                    medio de cualquier método, sean éstos al
de energía se da dependiendo si la cocina
                                                    vapor, húmedos o en seco, requiere que se
tiene cubierta protectora ya sea para todo el
                                                    cumpla con condiciones específicas y
sistema o sólo para el recipiente. En ambos
                                                    estrictas, ver Tabla 4, independientemente
casos las pérdidas de energía se dan por los
                                                    de si el proceso se lleva a cabo en estufas
tres mecanismos de transferencia de calor:
                                                    eléctricas, a gas, de leña, hornos
conducción, convección y radiación.
                                                    microondas u hornos solares.

Tabla 4. Temperaturas mínimas internas recomendadas para algunos alimentos y tiempo mínimo
requerido para la eliminación de agentes patógenos
Table 4. Internal minimum temperatures recommended for some foods and minimum time required for
the elimination of pathogenic agents

                                     Temperatura mínima interna
       Tipo de alimento                                                    Tiempo mínimo
                                           recomendada
Aves de corral sin despresar.
                                                83ºC                             15 s
Muslos y alas.
Aves de corral.          Pechugas
solamente.                                      77ºC                             15 s
Carne de res y cerdo bien hechas
Rellenos y recalentamiento de
                                                73,5ºC                           15 s
comidas sobrantes
Carne de res y de cerdo término
medio.
                                                72ºC                             15 s
Embutidos.
Huevos.
Carne de res término bajo.
Carne de cordero.                               63ºC                            3 min
Pescado
                                    ZONA PELIGROSA (10ºC – 52ºC)     Tiempo máximo de
                                    CRECIMIENTO DE BACTERIAS         permanencia 2 horas

Todos los alimentos crudos de origen                igualmente peligrosa la cocción parcial de
animal como huevos, pescado, carnes de              los alimentos, dado que no se alcancen las
ganado vacuno, porcino y de aves de corral          temperaturas necesarias, como podría
y cualquier combinación de éstos deben ser          ocurrir en días de baja radiación solar o al
suficientemente cocidos hasta que todos los         final de la tarde. Por lo tanto los alimentos
microorganismos potencialmente dañinos              parcialmente cocidos deben ser enfriados a
sean destruidos. La temperatura interna             temperaturas por debajo de los 10ºC o
mínima a la cual los patógenos son                  deben terminarse de cocer con alguna
eliminados depende del tipo de alimento             energía alterna. Si los alimentos han
que esta siendo preparado (Ver tabla 4). Es         permanecido por más de dos horas en franja
importante cocer los alimentos en los               de peligro pueden causar intoxicación así
valores prescritos para asegurar que sean           no haya señales visibles que indiquen que el
aptos para el consumo humano o procurar             producto no está en buenas condiciones.
que no permanezcan por más de dos horas             Recalentar el alimento no corrige el
en la zona de peligro si se encuentran en           problema ya que el calor no inactiva las
ella.                                               toxinas ya liberadas por las bacterias.
En lo referente a la operación de las cocinas
solares es importante destacar que es
Dyna 146, 2005                                          75

3. DISEÑO CONCEPTUAL                                      operación sea segura para la salud
                                                          humana.
Desde el punto de vista técnico los
                                                   ƒ      Estudiar algunos factores socio-
principios físicos que deben considerarse
                                                          culturales y prácticos que puedan
para diseñar y construir un dispositivo que
                                                          afectar la aceptabilidad de los sistemas
permita la cocción y/o pasterización son
                                                          diseñados y a diseñar, y así por lo tanto
simples; además, la disponibilidad de los
                                                          tratar de encontrar un equilibrio entre la
insumos requeridos para su elaboración es
                                                          parte teórica, lo esperado y lo deseable
muy alta, ya que son elementos de fácil
                                                          en sistemas de esta índole.
consecución. Así, estos aspectos son los
que allanan el camino para que exista un           Tabla 5. Lista de problemas esenciales
                                                   identificados y su aplicabilidad en el desarrollo
número muy alto tanto de diseños                   del proyecto
originales de hornos solares como
                                                   Table 5 List of essential problems identified
variaciones de éstos, cuyo objeto último es        and its applicability in the development of the
facilitar medios asequibles, técnica y             project
económicamente, por los cuales los
                                                     Problemas esenciales          Aplicabilidad
alimentos puedan prepararse, y por ende            Optimizar          diseños
contribuir a que una necesidad básica como                                               Sí
                                                   actuales
lo es la alimentación pueda ser satisfecha.        Hacer              diseños
En la revisión bibliográfica y del estado del      completamente nuevos o                Sí
arte no se encontraron mayores evidencias          mejorar actuales
que indiquen que la metodología empleada           Hacer diseños modulares       No necesariamente
en el diseño y construcción de los hornos          Hacer diseños funcionales
                                                                                         Sí
solares sea diferente a la de ensayo y error,      y estéticos
a excepción de lo hecho por parte de               Hacer              diseños
                                                                                         Sí
algunas instituciones universitarias y             económicos
organizaciones no gubernamentales en               Identificar razones que
distintos lugares del mundo. Sin importar el       afectan la aceptación por             Sí
método siempre se busca obtener mejoras            parte del usuario
en cuanto a la practicidad y desempeño             3.2 FACTORES QUE AFECTAN LA
térmico del dispositivo de manera tal que se       ACEPTABILIDAD POR PARTE DE
puedan lograr mayores niveles de                   LOS USUARIOS DE LAS COCINAS
aceptación entre los posibles usuarios de          SOLARES
éstos, es decir, lograr diseños óptimos.
                                                   Hasta ahora, no hay un estudio comparativo
3.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA                        detallado de la aceptancia de los diferentes
Se plantea algunos aspectos relevantes para        modelos de cocinas solares por parte de los
la formulación global o generalizada del           usuarios, por lo tanto no es completamente
problema, cuyo fin es identificar el mayor         claro que tipo de cocina es mejor aceptada
número de elementos que facilite el                en ciertas condiciones. Algunas preguntas
establecimiento de una estrategia global de        se plantean tratando de encontrar razones
solución (Ver Tabla 5).                            potenciales que puedan explicar los factores
Para atacar los diferentes ítems planteados        que afectan la aceptabilidad de estos
en la Tabla 5 se propone una estrategia que        sistemas:
permita:                                           ƒ ¿Se adapta el sistema a las necesidades
ƒ Estudiar los principios y mecanismos                  y hábitos del usuario?
    físicos involucrados en la transferencia       ƒ ¿Son         las    cocinas     solares    lo
    de energía solar desde la fuente hasta su           suficientemente prácticas, es decir,
    recepción en los sistemas de cocción                podrían usarse para freír, hornear,
    solar de manera tal que los parámetros              cocinar; además de cocinar en formas
    determinantes sean identificados e                  tradicionales, esto es, tener fácil acceso
    incorporados a la solución a estructurar.           a los recipientes, poder revolver, etc.?,
ƒ Estudiar lo concerniente a la cocción de              y si no, ¿Qué implicación tiene esto?
    alimentos de manera tal que pueda              ƒ ¿Se requieren mayores niveles de
    diseñarse     una    aplicación     cuya            radiación solar?
76                                          Macía et al

ƒ   ¿Qué tan desfavorable es la implicación                   una estructura de funciones con el objeto de
    inherente de la dificultad para cocinar                   ver claramente las diferentes y posibles
    en las primeras horas de la mañana y                      relaciones que se dan entre las entradas y
    las últimas de la tarde?                                  salidas del sistema considerado. En la
ƒ ¿Son lo suficientemente económicas?                         Figura 5 se muestra la función principal
ƒ ¿Son sus desempeños térmicos, ratas de                      (cocinar) con sus respectivas señales de
    calentamiento y temperaturas máximas,                     ingreso (potencia solar, masa sin cocer) y
    lo suficientemente buenos?                                de egreso (pérdidas térmicos, masa cocida),
ƒ ¿Los intervalos de reposicionamiento                        luego esta función es divida en
    son muy cortos?                                           subfunciones tratando de esbozar los
Estos cuestionamientos permiten establecer,                   posibles mecanismos físicos involucrados
más que respuestas definitivas, ciertas                       en el proceso, de manera tal que se facilite
consideraciones a tener presentes en la                       la búsqueda subsecuente de soluciones
búsqueda de soluciones que se ajusten a las                   particulares encaminadas a la consecución
condiciones mismas de operación            y                  de las mejores propuestas que satisfagan de
cualidades intrínsecas de este tipo de                        manera integral la función principal
equipos. Por lo tanto lo más importante es                    planteada.
evaluar la pertinencia de diseñar soluciones                           Tabla 6. Lista de requerimientos
para cada aplicación en particular                                     Table 6. List of requirements
evaluando cada uno de los aspectos tratados                             Requerimientos               Estatus
anteriormente o tratar de lograr soluciones                   Rango temperatura de cocción:
integrales en las que deben hacerse                                                                  Exigido
                                                              80 – 120ºC
concesiones en los distintos aspectos                         Tiempo para alcanzar temperatura
funcionales para obtener un resultado                         segura de cocción (60º C): máximo      Exigido
balanceado y satisfactorio.                                   1,5 horas
                                                              Fácil construcción                     Exigido
3.3 ESPECIFICACIÓN                                            Manejo fácil y seguro                  Exigido
En la Tabla 6 se presenta la lista de los                     Tolerancia a errores de orientación
requerimientos que deben lograrse en la                       y      baja      frecuencia       de
                                                                                                     Deseable
solución final. Estas metas específicas son                   reposicionamiento (cocción solar
detalladas, claras, concisas y permite definir                pasiva)
                                                              Relación costo-beneficio adecuada      Deseable
un mejor camino a seguir para la solución
                                                              Cocción desatendida por largos
del problema.                                                                                        Deseable
                                                              periodos de tiempo
3.4 ESTABLECIMIENTO  DE                   LA                  Multipropósito: asar, freír, cocinar   Deseable
ESTRUCTURA DE FUNCIONES
De acuerdo con los requerimientos
presentados en la sección anterior se crea

                                                 COCINAR

                Psol                             Transmitir
                                                                                         EP
                                 Captar                         ZONA TÉRMICA
                                                 Transformar

                                                 Almacenar
                                                                                       Mfinal
                                                                      Cocer
                   Minicial

                                 Figura 5 Estructura de funciones
                                 Figure 5 Structure of functions
Dyna 146, 2005                                      77

Cada una de las sub-funciones en las que se        relacionados con todas las subfunciones
ha dividido la función principal se explicará      anteriores, lo importante es hallar
en los siguientes ítems:                           soluciones que permitan la utilización de la
                                                   energía ganada de manera eficaz,
3.4.1   Captar
                                                   manteniendo un equilibrio que no afecte
La forma en la que se lleve a cabo la              significativamente el desempeño térmico y
captación de la energía solar es un factor         óptico del sistema.
crítico para el desempeño térmico del horno
                                                   3.4.5   Principios de solución
solar. La eficiencia con la que la radiación
solar es colectada depende fuertemente de          El plan general con el cual se abordará la
las configuraciones geométricas, la forma          búsqueda de los principios de solución para
de las superficies y la orientación de las         cada una de las subfunciones establecidas
mismas. La frontera divisoria entre la             en la sección anterior, cuyo objeto es
captación y la transmisión de la energía no        identificar, analizar y determinar los
está muy definida, pero puede decirse que          posibles principios físicos, y sus variables
la captación tiene que ver más con aspectos        fundamentales, que satisfagan y den
espaciales      condicionados     por     las      cumplimiento al grupo de acciones
características de distribución de la energía      establecidas mediante la estructura de
solar según las zonas de la tierra en las          funciones, además de examinar la
cuales se desarrolla la aplicación, es decir,      viabilidad       de     sus       respectivas
la configuración global y disposición del          implementaciones, es el siguiente:
sistema.                                           ƒ Abordar el estudio de la radiación solar
                                                       y hallar las consideraciones y los
3.4.2   Transmitir, transformar
                                                       parámetros relevantes que deban ser
Habiendo definido la captación de energía              tenidos en cuenta para la elaboración de
en términos de configuraciones espaciales,             un principio de solución para el sistema
la transmisión busca la forma de manejar la            en desarrollo.
energía que ingresa al sistema de una              ƒ Abordar el estudio de los principios de
manera eficiente, reduciendo al máximo las             la óptica que sean de interés y/o cuya
pérdidas ópticas y dirigiéndola a un punto             área de aplicación y/o principio
específico para su transformación.                     intrínseco parezcan de interés para el
La transformación de la energía tiene que              presente proyecto, y determinar las
ver con la estrategia empleada para la                 consideraciones y los parámetros
ganancia rápida de energía térmica por                 básicos requeridos para la elaboración
parte del sistema al transformar la radiación          de un principio de solución.
de onda corta proveniente del sol.                 ƒ Abordar el estudio de los diferentes
3.4.3   Almacenar                                      mecanismos de transferencia de calor, y
                                                       de masa si es necesario, que estén
El almacenamiento de la energía                        posiblemente involucrados en el
transformada se da como consecuencia de                desempeño térmico del sistema a
la necesidad de ir acumulando la energía               desarrollar.       Determinar         las
ganada con miras a alcanzar mayor potencia             consideraciones y los parámetros
energética disponible para la cocción y                básicos que sean importantes para la
alcanzar     mayores      velocidades    de            elaboración de un principio de solución.
calentamiento al disminuir la energía que          ƒ Emplear una metodología que permita
por las condiciones termodinámicas del                 depurar, evaluar y preseleccionar las
sistema y de no mediar un método de                    propuestas de solución eventualmente
supresión se depositaría en el ambiente.               planteadas. Plantear un modelo o
3.4.4   Cocinar                                        modelos matemáticos, para diseños
                                                       preseleccionados solamente, que den
Esta subfunción tiene que ver con los                  cuenta de la evolución del proceso y del
recipientes como tal para la cocción. Los              desempeño térmico del sistema con
mecanismos mediante los cuales la cocción              miras a observar relaciones más
de alimentos se da están estrechamente                 estrechas entre cada uno de los
78                                         Macía et al

      elementos del sistema y por ende tener        concentradores formadores y no formadores
      mayores       criterios     para    el        de imagen de una manera concisa y clara
      dimensionamiento, la optimización y la        buscando exponer los aspectos de mayor
      presentación de un diseño final.              relevancia que este tipo de dispositivos
                                                    presentan en su concepción. No se hará una
3.5     TEORÍA BÁSICA
                                                    desarrollo paso a paso ni demostrativo en
En este ítem se presentan los principios            este documento ya que esto escapa al
físicos estudiados, en sus aspectos más             alcance del mismo, además que provocaría
importantes,      sus    resultados      más        la desviación completa del objetivo
significativos y sus fundamentos teóricos.          principal que es determinar los principios
Posteriormente a la exposición de los               físicos útiles que sirvan para hallar y
principios físicos de solución se elaboran          formular posibles soluciones a las
propuestas de solución globales para el             subfunciones          con         anterioridad
sistema de cocción, se sugieren detalles            especificadas. Con el fin de dar continuidad
físicos más específicos y se estiman                pero sin afectar la congruencia del presente
dimensiones generales. Al final de la               trabajo se hará referencia a los conceptos
sección estarán sentadas todas las bases            necesarios para exponer las ideas más
preliminares a la simulación del desempeño          importantes, pero se sugiere a lector
de      los     diseños     de      sistemas        dirigirse a la bibliografía que aquí ha sido
preseleccionados.                                   empleada o a los anexos según sea el caso,
3.5.1 Radiación solar, consideraciones              cuando se desee hacer un análisis en mayor
geométricas básicas                                 extensión y profundidad del tema.
                                                    El estudio de los sistemas de concentración
El desempeño óptico y térmico del sistema           solar se abordará sólo desde el punto de
esta condicionado fuertemente por las               vista de la geometría óptica, es decir, el
condiciones de radiación solar, es decir,           comportamiento de la luz cuando incide
condiciones        climáticas,     ubicación        sobre superficies reflectoras y cuando
geográfica y orientación del sistema.               penetra en superficies refractoras.
Colombia por estar localizado muy cerca             La idea intuitiva que fundamenta este
del ecuador terrestre tiene unas condiciones        estudio es el rayo de luz, definido
favorables de radiación solar a lo largo del        toscamente, como el camino o el trayecto a
año, sumado a las numerosas regiones del            través del cual la energía lumínica viaja,
país donde las condiciones climáticas               junto con dos tipos de superficies las cuales
permiten su pleno aprovechamiento.                  o bien reflejan o bien transmiten la luz.
Adicionalmente, en esta ubicación, los              Cuando la luz es reflejada por una
movimientos aparentes del sol en el cielo a         superficie suave ésta obedece la muy bien
lo largo del año no son drásticos y no              conocida ley de la reflexión la cual expresa
representan una dificultad mayor a la hora          que los rayos incidentes y los reflejados
de diseñar el sistema. El ángulo que hace la        hacen ángulos iguales con respecto a la
radiación solar con la normal a la horizontal       normal de la superficie en el punto de
en un lugar determinado cuando el sol se            incidencia y que los rayos y la normal se
encuentra en el cenit esta dado por los             encuentran sobre un mismo plano. Cuando
movimientos aparentes a través del año y            la luz es transmitida la dirección del rayo es
por la latitud del lugar, en Colombia este          cambiada de acuerdo con la ley de la
ángulo estaría, con mínimas cambios en el           refracción, ley de Snell, la cual establece
año, entre los 0º y los 10º, en el caso de          que la razón entre el seno del ángulo de
Medellín este es 6.14º (6.14º latitud norte).       incidencia y el seno del ángulo de
Resta por conocer entonces la dirección de          refracción, cuando la luz pasa de un medio
los rayos solares sobre una superficie              uno a un medio dos es una constante,
específica a lo largo del día.                      conocida como el índice de refracción,
3.5.2 Principios de óptica aplicados a              siendo los tres igualmente coplanares.
los concentradores de energía solar
En este apartado se hace mención y se
presenta la óptica relacionada con los
Dyna 146, 2005                                        79

3.5.3 Principios    básicos  de   los              del proceso de desplazamiento, en cada
concentradores solares no productores              etapa la cuerda se mantiene tensa en una
de imagen                                          dirección paralela a los rayos de luz
                                                   incidente. Más tarde, la cuerda se dobla
Aunque las lentes y los espejos concentran
                                                   bruscamente para ir a buscar el orificio de
la luz, no son los mejores dispositivos para
                                                   salida (punto C), y así la longitud total de la
este     cometido.      En     realidad,   el
                                                   cuerda permanece inalterada. Los puntos
comportamiento de cualquier dispositivo
                                                   para los cuales la cuerda se dobla definen la
óptico capaz de concentrar la luz formando
                                                   pared del concentrador. Todos los rayos
una imagen se distancia bastante de lo
                                                   restantes del haz, correspondientes a los
esperado teóricamente. Esto se debe a que
                                                   ángulos intermedios, se reflejan en algún
aunque las imágenes formadas por estos
                                                   punto del receptor CD, un fenómeno que en
lentes y espejos son casi perfectas en el
                                                   dos dimensiones se produce de manera
punto focal, dichas imágenes resultan
                                                   perfecta y de forma casi perfecta en tres
distorsionadas lejos de éste. Por lo tanto
                                                   dimensiones.
mayores eficiencias en las concentraciones
de la radiación se pueden lograr si se dejan
de lado toda una serie de requisitos
relacionados con la formación de una
imagen. Los dispositivos diseñados con este
fin reciben el nombre de concentradores sin
imágenes, los cuales se comportan como un
embudo.
La radiación que penetra al concentrador
por una superficie mayor se refleja de tal
manera que atraviesa una superficie menor.
Este proceso destruye cualquier imagen de
la fuente luminosa pero dado que el interés        Figura 6. Construcción por el método de la
esta sólo en el efecto de concentración la         cuerda de un concentrador parabólico
formación      de    imagen      alguna    es      compuesto (CPC) clásico.       Receptor CD.
completamente innecesaria, lo realmente            Apertura de entrada AB. Frente de onda
importante es tener una mayor intensidad de        incidente máximo AH.         Reflectores del
rayos solares por unidad de área.                  concentrador parabólico compuesto (CPC) AC y
El empleo de los dispositivos ópticos de no        BD. Longitud de la cuerda AD+DC = EG+GC
imagen obedece al deseo de diseñar                 = HB+BC.
concentradores solares que no necesiten            Figure 6. Construcción por el método de la
orientarse para ir siguiendo la trayectoria        cuerda de un concentrador parabólico
                                                   compuesto (CPC) clásico.       Receptor CD.
del sol, ya que la utilización de sistemas de
                                                   Apertura de entrada AB. Frente de onda
seguimiento se basan en el uso de máquinas         incidente máximo AH.         Reflectores del
complicadas y los gastos de la instalación y       concentrador parabólico compuesto (CPC) AC y
mantenimiento repercuten en el costo de la         BD. Longitud de la cuerda AD+DC = EG+GC
utilización de la energía solar.                   = HB+BC.
3.5.3.1 Método de la cuerda (o de lo
rayos marginales). El concentrador se              La longitud constante del camino óptico
construye de manera tal que todos los rayos        (AD+DC = EG+GC = HB+BC) requiere
luminosos que entran el dispositivo según          que el reflector sea el lugar geométrico de
cierto ángulo de incidencia máximo (θa)            los puntos que equidistan de un punto y una
sean dirigidos (Gordon, 1996), tras sufrir         línea, lo que representa un arco parabólico
como mucho una sola reflexión, hasta el            rotado, relativo al eje óptico, con un ángulo
orificio de salida. Se puede comprender            máximo θa y con el foco en C.
cómo funciona este dispositivo haciendo            Los perfiles conseguidos a partir de este
deslizar un trozo de cuerda (HBC) a lo             concepto se conocen como diseños de rayos
largo de una barra (HA), tal como se puede         marginales, de los cuales pueden realizarse
apreciar en la Figura 6. En el diagrama se         algunas variaciones dependiendo de la
puede observar la cuerda en varias etapas
80                                           Macía et al

configuración geométrica del receptor (Ver             Figura 7).

Figura 7 Secciones transversales de concentradores diseñados con el método de rayos marginales
Figure 7. Trasversal sections of concentrators designed with the marginal ray method

En la Figura 7 se tiene:                               palabra, dichos rayos atraviesan un espacio
ƒ (b): Con un receptor circular (esférico              físico, una región abstracta constituida por
    en 3D) de diámetro d. Los reflectores              las posiciones y direcciones de los rayos. La
    BG y AF se obtienen a partir del                   magnitud del flujo vectorial geométrico esta
    requerimiento de que los rayos                     relacionado por lo tanto con los valores de
    incidentes extremos sean reflejados                estas posiciones y direcciones. El diseño de
    tangentes al receptor. La sección del              un concentrador para una aplicación
    reflector GE, por debajo de la línea               determinada ocurre de suerte tal que dicho
    punteada, es la evoluta de un arco                 flujo se conserve, es decir, que no sufra
    circular.                                          ninguna perturbación.
ƒ (c): Con un receptor rectangular
                                                       3.5.4    Factor de concentración
    (cilíndrico en 3D) que incluye el
    extremo superior pero no el inferior.              Pueden darse dos definiciones de factor de
    Los reflectores son una combinación de             concentración: La primera definición es
    secciones de parábola y evolutas. IJ es            estrictamente geométrica (concentración
    un arco circular (la evoluta de una línea          geométrica), la cual es la razón del área de
    recta) de radio h y centro en G. JK es el          apertura al área del receptor.
    arco de una parábola con su foco en G y
    GJ como su eje. KB es el arco de una                               A apertura
                                                       FC = FCárea =
    parábola con su foco en F y su eje es                              A receptor
    paralelo a GJ.
                                                       La segunda definición está dada en
Para lograr concentradores tridimensionales            términos de la razón de la intensidad de la
a partir de estas configuraciones lo único             radiación en la apertura a la intensidad de la
que se debe hacer es rotar la geometría                radiación que alcanza el receptor. Este
alrededor del eje de simetría. Debe tenerse            factor considera, además de los efectos
en cuenta que aunque los concentradores                geométricos, los efectos de absorción.
citados anteriormente son ideales en sus
versiones bidimensionales, no lo son así en                                  Iapertura
sus versiones tridimensionales.                        FC = FCintensidad =
                                                                             Ireceptor
3.5.3.2 Método del flujo vectorial
geométrico. En este método se supone que               Estrechamente relacionado con el factor de
el conjunto de los rayos ópticos que                   concentración esta el ángulo de aceptación,
atraviesan un sistema se comporta en                   el cual es el rango angular en el cual todos o
principio como un fluido. Luego, en vez de             casi todos los rayos que se encuentran
atravesar el espacio en el sentido usual de la
Dyna 146, 2005                                     81

dentro de él son aceptados sin necesidad de       radiación de longitud de onda grande siendo
orientar o reorientar el colector.                por lo tanto este aspecto de especial
El factor de concentración máximo posible         cuidado al momento de seleccionar los
está condicionado por la segunda ley de la        materiales a ser empleados en los sistemas
termodinámica (Feuermann D et,al. 1998),          de cocción.
por lo tanto para un ángulo de aceptancia θa
dado y un concentrador bidimensional, éste        3.5.5.2 Transmitancia         solar.      La
factor es:                                        transmitancia      de     los     materiales
                                                  semitransparentes       reales       depende
                    1                             igualmente de la longitud de onda
Cideal 2Dmax =
                 sen(θa )                         incidente; de esta manera, la transmitancia
                                                  correspondiente a la radiación visible, de
La correspondiente concentración máxima           longitudes de onda pequeña, puede ser muy
tridimensional es:                                diferente de la transmitancia a la radiación
                                                  infrarroja, de longitudes de onda grandes.
                 1                                Así, para el vidrio se tienen transmisiones
C3Dmax =
           sen 2(θa )                             elevadas de radiación de onda corta
                                                  (>2μm), pero es casi opaco a longitudes de
El diseño de un concentrador no productor         onda grandes (>3.4μm) (ver tablas 7 y 8).
de      imagen       estará    determinado
principalmente      por     el grado     de       3.5.6 Combinación de los principios y
concentración que se requiera alcanzar            determinación de las variantes de
según la aplicación, pero además debe tratar      solución
de hallarse un compromiso entre los
desempeños térmico y óptico. Así, por             El estudio de los principios y los fenómenos
ejemplo, el tamaño del absorbedor debe ser        físicos involucrados de una u otra forma en
lo suficientemente pequeño para reducir las       las características de operación y
pérdidas     térmicas     pero    aun     lo      desempeño de las cocinas solares ha
suficientemente grande como para que              permitido construir un campo propicio para
pueda interceptar toda, o casi toda, la           el desarrollo de posibles soluciones que
radiación     incidente     en  el    rango       satisfagan los requerimientos establecidos.
especificado.                                     Haciendo una síntesis de los principios de
                                                  solución expuestos y con base en la
                                                  estructura de funciones propuesta se realiza
3.5.5 Propiedades ópticas de los                  un arreglo sistemático de éstos que facilite
materiales para las aplicaciones de               su identificación su combinación adecuada.
energía solar                                     Ver Tabla 7.
Las dos propiedades ópticas más
importantes son la absortancia y la               Organizados los principios de solución de
tramitancia, a continuación se hará una           manera clara y concisa se procede ahora a
breve explicación de su influencia en el          la combinación de los mismos bajo las
desempeño de los equipos.                         siguientes consideraciones:

3.5.5.1 Absortancia solar. La absortancia         ƒ      Combinación sólo de subfunciones
de las superficies reales depende de la                  compatibles.
longitud de onda de la radiación incidente.
En la mayoría de las aplicaciones de              ƒ      Considerar sólo las combinaciones que
ingeniería se usan valores medios de esta                cumplan los requerimientos.
propiedad que son medidos sobre
longitudes de onda mayores, es decir, en el       ƒ      Hacer énfasis    en    combinaciones
rango de la radiación térmica. Para muchas               prometedoras.
superficies la absortancia de radiación de
longitud de onda pequeña difiere de manera
importante respecto a la absortancia de
82                                                                                                        Macía et al

                                                                                    Tabla 7. Principios de solución
                                                                                    Table 7. Principles of solution
                                                             A                                        B                             C                              D                       E
               Captar Energía

 I                                        1   Área de captación                     Área de captación                  Área de captación
                                              cuadrada                              rectangular                        invertida
                                                                                                                                                      Área          captación
                                                                                                                                                      abierta

                                          2
                                                                                    Superficie concentradora,
                                                                                                                                                      Receptor      de   sección
                                                Superficies reflectoras             recepción por el recipiente
                                                                                                                       Paneles reflectores            cilíndrica                   Sistema invertido
                                                verticales                          en el foco
                            Transformar
      Transmitir

                                                                                                                                                                                   SIN
                                                                                                                                                                                   TRANSMISIÓN.
Ii                                        3                                                                                                                                        TODAS          LAS
                                                                                                                                                                                   SUPERFICIES
                                                                                    Superficie concentradora,          Recepción adicional por        Receptor      de   sección   NEGRAS
                                              Superficies             reflectoras
                                                                                    recepción en placa                 debajo                         cuadrada
                                              inclinadas

                                          4

                                              Superficies reflectoras de
                                              perfil parabólico

                                          5
               Almacenar

                                              Aislamiento         +       efecto                                       Invertido, aislamiento + e.i
                                                                                    Cubierta transparente, E.I
                                              invernadero                                                                                                          SIN
Iii
                                                                                                                                                      ALMACENAMIENTO

                                          6

                                                                                    Cubierta          transparente
                                              Aislamiento         +       efecto    para         el       recipiente   Aislamiento + cumulación
                                              invernadero + acumulación             formando E.I.                      + efecto invernadero
               Cocinar

I
                                          7
v
                                              Placa absorbesora, placa de           Recipiente cilíndrico para         Recipiente   tipo caja para
                                              cocción                               receptor cilíndrico                                               Recipiente convencional
                                                                                                                       receptor perfil cuadrado
Dyna 146, 2005                                  83

En las Tablas 8 y 9 se muestran las                    Tabla 14 se relacionan los diferentes
diferentes combinaciones efectuadas. En la             colores.

                        Tabla 8. Combinación de los principios de solución
                        Table 8. Combination of the solution principles
                                          A       B        C        D      E
                          Captar
                  i                    1
                          Energía
                                       2
                        Transmitir
                  ii                   3
                        Transformar
                                       4

                                       5
                  iii   Almacenar
                                       6

                  iv      Cocinar      7

                        Tabla 9. Continuación combinación principios de solución
                        Table 9. Continuation combination solution principles
                                           A      B       C        D        E
                          Captar       1
                  i
                          Energía
                                       2
                        Transmitir
                  ii                   3
                        Transformar
                                       4

                                       5
                  iii   Almacenar
                                       6

                  iv      Cocinar      7

               Tabla 10. Lista de variantes de solución obtenidas a partir de la Tabla 8
               Table 10. List of variants of solution obtained from Table 8
                        Nº         Variante                Nº       Variante
                          1     1B 2A 5A 7D               9     1B 2D 5A 7B
                          2     1B 3A 5A 7D               10    1B 3D 5A 7C
                          3     1B 4A 5A 7D               11    1B 3D 5A 7D
                          4     1D 3B 5C 7D               12    1D 2C 6B 7D
                          5     1B 3E 5A 7D               13    1B 4A 6A 7D
                          6     1D 2B 6B 7D               14    1D 3C 5D 7A
                          7     1C 2E 5C 7D               15     1B 3D 5B 7C
                          8     1C 2E 5D 7A               16    1D 3B 5D 7A
84                                           Macía et al

La descripción de las variantes relacionadas           en la Tabla 10 se ilustra en la Tabla 11.

                         Tabla 11 Descripción de las variantes de solución
                         Table 11. Description of the solution variants

Variante   Descripción
   1       Cocina tipo caja- paredes reflectivas verticales- aislada- iluminada desde arriba- recipiente
           convencional
     2     Cocina tipo caja- paredes reflectivas inclinadas- aislada- iluminada desde arriba- recipiente
           convencional
     3     Cocina tipo caja- paredes reflectivas perfil CPC- aislada- iluminada desde arriba- recipiente
           convencional
     4     Cocina de concentración-plancha aislada-iluminada desde abajo- recipiente convencional
     5     Cocina tipo caja sin transmisión- todas las superficies negras- asilada- recipiente
           convencional
     6     Cocina de concentración-recipiente ubicado en el foco- recipiente aislado- recipiente
           convencional
     7     Plancha-iluminada desde arriba y desde abajo-recipiente convencional- recipiente aislado por
           caja transparente
      8    Plancha- iluminada desde arriba y desde abajo- cocción directa sobre la plancha
      9    Cocina de concentración-aislada-receptor cilíndrico-recipiente cilíndrico
     10    Cocina de concentración- aislada- receptor de sección. cuadrada- recipiente de sección
           cuadrada
     11    Cocina de concentración- aislada- receptor de sección cuadrada- recipientes convencionales
     12    Paneles reflectores-recipiente aislado por cubierta transparente
     13    Cocina tipo caja-perfil CPC-aislada-con acumulación
     14    Cocina de concentración reflectores CPC- receptor plano- cocción directa sobre la plancha
     15    Cocina de concentración- receptor transparente de sección cuadrada
     16    Cocina de concentración-plancha en el foco

A pesar de haberse obtenido un gran                    no eliminar variantes que pueden ser
número de variantes de solución es                     interesantes. Por lo tanto se han
importante reducir el número de aquellas               seleccionado     algunos    criterios de
que aunque técnicamente viables no lo son              evaluación para esta etapa de manera tal
así desde el punto de vista práctico. Sin              que sólo las variantes más prometedoras
embargo debe prestarse cuidado al hecho de             sean preseleccionadas. Ver Tabla 12.
Dyna 146, 2005                                           85

                                   Tabla 12. Preselección de variantes de solución
                                   Table 12. Preselection of solution variants

            Criterios                        CRITERIOS EVALUACIÓN
                                             A: Compatibilidad con la función principal.
VARIANTE

                                                                                                              DECISIÓN
            √: Sí                            B: Cumplimiento del los requerimientos.
            -: No                            C: Realizable en principio.
            ?: falta información             D: Es factible económicamente.
                                             E: Preferencia.
                                             F: Información suficiente
            A   B   C    D    E     F   G    DETALLES
1           +   +   +    +          +                                                                         √
                                             Cumple la función principal pero la información sugiere          -
2           +   ?    +              +
                                             menor eficiencia óptica
3           +   +    +   +          -                                                                         √
                                             Frecuencias de ubicación, obstrucción óptica, mayores            -
4           +   ?
                                             pérdidas térmicas, menor tolerancia a los errores de ubicación
5           +   +    +   +          -                                                                         √
                                             Frecuencias de ubicación, obstrucción óptica, mayores            -
6           +        +              +
                                             pérdidas térmicas, menor tolerancia a los errores de ubicación
7           ?   ?                                                                                             -
8           ?   ?    +                                                                                        -
9           +   +    +   ?          +        ¿Qué tan costoso es comparado con los otros sistemas?            √
10          +   ?    +              -        No hay información suficiente                                    -
11          +   +    ?              -        Tamaño del sistema, eficiencia                                   -
12          +   ?    +              +        Temperaturas por debajo de los 100ºC                             -
13          +   +    +    -                  Costoso                                                          -
14          +   ?    +              -        Falta más información. capacidad. forma de operación             ?
15          +   ?    +              -                                                                         -
                                             Frecuencias de ubicación, obstrucción óptica, mayores            -
16          +   ?    +
                                             pérdidas térmicas, menor tolerancia a los errores de ubicación

                                                                 ƒ    Variante 5: Cocina solar todas las
3.5.7 Esquematización de las variantes
                                                                      superficies interiores negras.
preseleccionadas
                                                                 ƒ    Variante     9:    Cocina      solar  de
ƒ          Variante 1: Cocina solar paredes                           concentración. Aislada. Superficies
           reflectivas    verticales. Aislada.                        reflectivas de perfil CPC. Ver Tabla 13.
           Recipiente convencional.
ƒ          Variante 3: Cocina solar paredes
           reflectivas de perfil CPC. Aislada.
           Recipiente convencional.
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