Experiencias con estufas solares de caja en el Tecnológico Universitario del Valle de Chalco

Introducción

La energía solar es una de las opciones ecológicas de la actualidad en lo que a uso de energía se refiere, en lugar de las más comunes y contaminantes, basadas en la quema de petróleo, carbón y gas (ver Sánchez M, 2008 y también Illanes, 2008); existe gran diversidad de estufas u hornos solares (por ejemplo, ver el sitio web Solar cooking).

En el Tecnológico Universitario del Valle de Chalco, ubicado en el Estado de México, México, se estudian, entre otras, las carreras de técnico superior universitario (TSU) en mecatrónica, en procesos de producción y en mantenimiento industrial; en mayo de 2011 se constituyó el grupo de desarrollo de estufas solares, con cuatro integrantes: un profesor de matemáticas y física y tres alumnos, uno por cada una de las carreras ya mencionadas.

La primera tarea a desarrollar en el cuatrimestre mayo-agosto fue estudiar las estufas solares de caja, sobre todo: la dinámica de su temperatura según los materiales reflectantes internos (espejos o papel aluminio) y también la cubierta o tapa (vidrio o celofán); también se prestó atención al tamaño de la estufa y su relación con la temperatura de equilibrio alcanzada y el tiempo en que esta se logra. Los resultados que aquí se muestran fueron fruto de esta primera etapa.

Especificaciones de las estufas solares construidas y probadas

Se trabajó con cuatro estufas solares construidas a partir de cajas de cartón para el empaque de huevo; las dimensiones internas, que determinaron el volumen neto útil fueron: alto 16 cm, ancho 29 cm y largo 58 cm.

En el fondo de la caja se colocó unicel de 18 mm de grosor como aislante, y también por fuera, en las cuatro caras exteriores; como material reflejante interno se usó papel aluminio (en las cuatro caras internas y el fondo) o espejos de 3 mm de grueso (en las cuatro caras internas, fondo de papel aluminio). La tapa fue o bien de vidrio (3 mm de espesor) o de celofán transparente blanco. La caja, una vez con tapa, se forraba externamente con celofán.

Una caja más, del mismo material y uso que las anteriores se utilizó para la estufa más pequeña (menor volumen), cuyas dimensiones internas fueron: 16 x 29 x 29 cm; los termómetros tenían apreciación de 1 0C y su escala iba de -20 a 110 0C.

En la foto 1 se muestran las estufas grandes y en la 2, la pequeña comparada con la grande.

Foto 1. Cajas grandes con tapa de vidrio y paredes internas de espejo; la cubierta es de unicel

Experimentos y resultados

Los experimentos se realizaron en el mes de julio de 2011, en horarios entre10:30 am y 13:30 pm, aunque en días previos se hicieron diversas pruebas.

Se comparó, en cuanto a la rapidez de calentamiento y la temperatura máxima alcanzada:

a) El tipo de cubierta exterior (tapa): vidrio o celofán

b) El tipo de cubierta de las paredes interiores: espejos o papel aluminio

c) El volumen de la caja: caja más corta, pero mismo ancho y alto que la grande

• I. Variación de temperatura en el horno grande

Los experimentos se hicieron con cuatro cajas construidas de la misma manera, sólo variando en la característica de interés (por ejemplo la tapa de vidrio o de celofán), y realizando las mediciones simultáneamente; los resultados pueden apreciarse en el gráfico 1; la temperatura máxima que se logró medir con estos diseños fue de 73 0C; el tiempo estuvo soleado primero con viento ligero y después aparecieron algunas nubes pasajeras.

• Tapa de vidrio o de celofán:

La tapa de vidrio posibilitó temperaturas mayores respecto a la de celofán, tanto si en el interior había espejos o papel aluminio; en ambos casos se alcanzó una diferencia de temperaturas promedio de 5 grados Celcius.

Por otra parte, con tapa de vidrio la rapidez de calentamiento es, desde el principio, mayor que con tapa de celofán: la temperatura siempre se mantiene por arriba.

Respecto a la rapidez de calentamiento, con interior de aluminio se tienen al principio temperaturas menores que con espejos, pero luego la temperatura se va por arriba (un poco) de la que tiene interior de espejos (para cada caso, tapa de vidrio o tapa de celofán)

Gráfico 1. Se muestran las curvas de temperatura contra tiempo, para las combinaciones tapa-interior siguientes: Celofán-papel aluminio C-A, vidrio-espejos V-E, celofán-espejos C-E, vidrio-papel aluminio V-A; en el eje horizontal, el número de dato en el tiempo.

• Interior de espejos o de papel aluminio

Ya sea con tapa de vidrio o de celofán, el interior de papel aluminio resultó en temperaturas sólo muy poco mayores a su correspondiente, con interior de espejos.

La diferencia de temperaturas para la tapa de celofán fue apenas de 1 grado Celcius, mientras que con tapa de vidrio no hubo diferencia promedio de temperaturas que fuera significativa (menos de un grado).

Al principio, en la de interior de espejos sube más rápido la temperatura que en la de aluminio, pero pronto se ve alcanzada y superada (poco) por las temperaturas con interior de papel aluminio

• Inercia de la combinación tapa de celofán-interior papel aluminio al descenso de la radiación

Un fenómeno que se logra apreciar en las variaciones de temperatura, cuando alguna nube interfiere con el sol y después se va, es que, la estufa celofán-aluminio tarda más en sentir la disminución de la radiación que la de celofán-espejos, vidrio-aluminio y la de vidrio-espejos: cuando ya estas tres últimas van bajando la temperatura, todavía en la primera sigue subiendo, y sólo después comienza a descender; sin embargo, la recuperación, cuando la nube ya pasó, se produce simultáneamente a la de las demás (ver gráfico 2 y 3 y también el 1).

Gráfico 2. Inercia de la caja de tapa de celofán e interior de papel aluminio a la disminución de radiación, en comparación con la de la combinación vidrio-espejos; en el eje horizontal corre el tiempo.

Gráfico 3. Inercia de la caja de tapa de celofán e interior de papel aluminio a la disminución de radiación, en comparación con la de la combinación vidrio-aluminio.

II. Influencia del volumen del horno

Para determinar si el tamaño de la caja que se estaba usando influye en los resultados, se experimentó con una de las cajas grandes ya mencionadas, y otra más pequeña (se varió el largo), de manera que la caja grande tuvo dimensiones: 16 cm X 29 cm X 58 cm y la caja pequeña tuvo dimensiones: 16 x 29 x 29 cm, la mitad del largo de la grande; en este experimento la tapa era de vidrio.

Las observaciones se hicieron con un día muy soleado, con brisa ligera, aunque había indicios de polvo en la atmósfera; los datos obtenidos indican que ambas cajas alcanzan la misma temperatura de equilibrio (en nuestro caso, unos 70 grados), pero la pequeña tardó aproximadamente 2 h y 20 minutos en alcanzarla, mientras la grande, 36 minutos; de hecho, la grande en unos 15 minutos llegó a 60 grados, mientras que la pequeña tardó unos 120 minutos en llegar a esa temperatura.

Conclusiones

1. Los espejos como reflectores internos no representan ventaja, en lo que a rapidez de calentamiento o temperaturas alcanzadas se refiere, por el contrario, encarecen el horno y lo hacen más pesado; resultados prácticamente iguales se logran con papel aluminio.

2. El vidrio como cubierta sí representa una ventaja frente al celofán, en lo que se refiere a rapidez de calentamiento y temperatura de equilibrio alcanzada; aproximadamente, en promedio, hay una diferencia de 5 grados Celcius; la desventaja es que lo encarece y lo hace más pesado.

3. La combinación celofán-aluminio "siente" más tardíamente los efectos de la disminución en la radiación recibida, respecto a la combinación celofán-espejo, vidrio-espejos y vidrio-aluminio, pero se recupera al mismo tiempo que ellas.

Foto 2. Hornos pequeño y grande; sólo difieren en el largo.

4. La cocina más pequeña, de menor volumen, del mismo material, forma y construcción, tarda mucho más en alcanzar las mismas temperaturas altas que la de mayor volumen (el doble), pero, al final, alcanza la misma temperatura de equilibrio.

5. La temperatura máxima alcanzada con estos dispositivos fue de 73 0C.

Bibliografía

-Illanes L (2008). Construcción de una cocina solar con reflectores como una alternativa de solución a la crisis económico energética y contaminación ambiental, en http://www.slideshare.net/robvaler/construccin-de-una-cocina-solar-con-reflectores-presentation, revisado en noviembre, 2011.

-Sánchez M. (2008). Energía solar térmica. LIMUSA, México.

– Solar cooking, en http://solarcooking.wikia.com/wiki/Category:Solar_cooker_plans, revisado en noviembre 2011.

Autor:

Luis Quintanar Medina*,

Gustavo Adolfo Rosas González1,

Brenda Karina Juárez Gómez2,

Elías Pacheco Gallegos3

*Profesor de matemáticas y física;

1Quinto cuatrimestre de la carrera TSU en Mecatrónica;

2Cuarto cuatrimestre de la carrera TSU en Procesos de producción;

3Segundo cuatrimestre de la carrera TSU en Mantenimiento Industrial