Desarrollo de herramientas para el estudio comparativo PAPER COCINA SOLAR

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DESARROLLO DE HERRAMIENTAS PARA EL ESTUDIO COMPARATIVO DE COCINAS SOLARES CON ALMACENAMIENTO DE CALOR
Maxime Mussard y Marc Clausse
1 Introducción
El uso de la leña es una causa importante de la deforestación, que deteriora la calidad de vida de millones de personas (Otte 2013). La cocina solar es una opción interesante para limitar la deforestación, ya que la cocina es un aspecto fundamental de cualquier cultura. Las cocinas solares se han desarrollado en las últimas décadas para superar los problemas energéticos en los países en desarrollo. Se han desarrollado sistemas como las cocinas de caja (Saxena et al. 2011) o sistemas de concentración que calientan directamente los alimentos (Mussard et al. 2013; Farooqui 2014). Una de las principales desventajas de la cocción solar directa es la falta de inercia térmica del sistema. El almacenamiento de calor puede ayudar a superar esta debilidad. Primero, simplemente almacenando energía, la comida se puede mantener caliente por muchas horas. Esto también proporciona suficiente inercia al sistema y ayuda a proporcionar un flujo de energía regular a pesar de la sombra temporal, como las nubes o las personas que pasan. Un sistema más avanzado podría incluso basarse en el almacenamiento mismo, haciendo que la cocción sea casi insensible a las variaciones de la radiación solar. Tales sistemas pueden almacenar suficiente energía para proporcionar calor después de una noche completa.
Se ha diseñado un cierto número de cocinas solares con almacenamiento de calor en los últimos 20 años (Sharma et al. 2009; Cuce y Cuce 2013). Sin embargo, la cantidad de parámetros a considerar al evaluar una cocina solar con almacenamiento es enorme. Se realizó una comparación exhaustiva de las cocinas solares con el almacenamiento de calor en otro lugar (Nkhonjera et al. 2016), centrándose en el rendimiento térmico de las cocinas. El documento presenta gráficos completos para comparar la temperatura y la potencia de salida de las diferentes cocinas. La novedad de nuestro artículo reside en la descripción de dos métodos simples para comparar las cocinas solares. Se enumeran varios parámetros para evaluar la idoneidad de diferentes cocinas solares con almacenamiento de calor. Al analizar los parámetros para cada cocina, se facilita una comparación entre ellos, y se mejoran las ventajas y las debilidades de cada uno. Se espera entonces un uso más relevante de las diferentes tecnologías de cocción solar.
2 Metodología
Una cocina que funciona bien en un entorno específico puede no ser transponible a otro. Por otro lado, un sistema que no ha tenido éxito puede considerar sus ventajas y debilidades precisamente para encontrar un mejor lugar para ser probado o implementado. El potencial para la cocción solar es enorme, y existen tecnologías eficientes para el almacenamiento de calor. Al comparar diferentes parámetros para un conjunto de dispositivos, resulta más fácil juzgar qué tecnología es más relevante para un caso determinado. En la parte de Metodología, se selecciona un conjunto de varias cocinas solares con almacenamiento de calor, y los parámetros para
Se explican comparándolos. La parte de Resultados muestra el potencial de almacenamiento térmico de los diferentes materiales y sustancias utilizados en estas cocinas y los resultados de la comparación.
2.1 Interés de un almacenamiento de calor
En general, no es posible implementar cocinas solares sin almacenamiento de calor en condiciones estándar para lo siguiente (Otte 2013):
• hábitos de cocina por la noche
• Disponibilidad de una fuente de energía más práctica (combustible, carbón, madera, etc.)
• Clima inestable
Como consecuencia, la implementación exitosa de la cocina solar es generalmente
relacionado con al menos una de estas condiciones:
• Clima desértico
• Existencia de un sistema de respaldo.
• Mejora real de las condiciones de vida (por ejemplo, para mujeres discapacitadas)
• Inexistencia de otras opciones (campamentos de refugiados)
El almacenamiento de calor puede ayudar a superar las principales debilidades de la cocina solar
Primero, al simplemente almacenar energía, puede ayudar a mantener la comida caliente durante muchas horas. También puede dar suficiente inercia al sistema y ayudar a proporcionar un flujo de energía regular a pesar de la sombra temporal, como las nubes o las personas que pasan. Un sistema más avanzado incluso puede basarse en el almacenamiento mismo, lo que hace que la cocción sea casi insensible a las variaciones de la radiación solar. Tales sistemas pueden almacenar suficiente energía para proporcionar calor incluso después de una noche completa. Finalmente, los sistemas con calefacción de respaldo tienen el mejor potencial hasta ahora para la cocción solar. Un sistema de respaldo que es virtualmente invisible para el usuario es el mejor sistema hasta ahora. De hecho, es fácilmente adaptable a los hábitos tradicionales y económicamente interesante. La cocina solar de Mount Abu en India (Muthu y Raman 2006), capaz de cocinar hasta 38,500 comidas al día, es un buen ejemplo de este concepto. Sin embargo, estas tecnologías no se estudian en este documento.
2.2 Diferentes modelos de cocinas solares con almacenamiento de calor
Todas las cocinas estudiadas aquí han funcionado al menos una vez para la cocción regular, ya sea en el laboratorio o en el campo. Usan diferentes métodos para recolectar energía y transferirla a los alimentos; El objetivo es mejorar las particularidades de cada cocina (Fig. 25.1).
Cada uno de los dispositivos está etiquetado con una letra para facilitar la comparación. Las diferentes cocinas con almacenamiento de calor utilizadas para la comparación son las siguientes:
(A) Ramadan et al. (1988); (B) Bushnell y Sohi (1992); (C) Domanski et al. (1995); (D) Buddhi y Sahoo (1997); (E) Sharma et al. (2000); (F) Buddhi et al. (2003); (G) Sharma et al. (2005); (H) Murty y Gupta (2013); (I) Nandwani et al. (1997); (J) Hussein et al. (2008); (K) Oturanc¸ et al. (2002); (L y M) Schwarzer et al. (2008); (N) Mussard et al. (2013); (O) Tesfay et al. (2014); (P) Foong et al. (Foong 2011); y (Q) Scheffler (Kumar et al. 2017). Algunas de estas cocinas se muestran en la Fig. 25.1.
2.3 Parámetros para la Evaluación
Se enumeran los parámetros relevantes para comparar las diferentes cocinas. Cada parámetro tiene su escala de evaluación, de 0 a 1, 2 o 3. Cuanto más alta sea la calificación, más interesante será la característica:
• El primer parámetro es el potencial de carga de alimentos de cada cocina (FL). Para optimizar la comparación, comparamos aquí la masa máxima de alimentos "húmedos" probados y bien cocidos para cada cocina, independientemente de la temperatura de cocción necesaria.
Las cocinas capaces de cocinar hasta 2 kg de alimentos se asignaron de grado 0; entre 2 y 7 kg, el grado es 1; y para 7 kg y más, el grado es 2.
• El segundo parámetro es la temperatura del almacenamiento (Tp): una temperatura alta puede permitir una buena calidad de cocción sin luz solar. Si Tp <100 ° C, el grado es 0, y si 100 <Tp <170 ° C, el grado es 1; si 170 <Tp <240 ° C, 2; y por más de 240 ° C, 3.
• Luego, se evalúa el potencial de calidad de cocción (Ck) de la cocina. La clasificación es la siguiente: 0 si el sistema simplemente ayuda a mantener los alimentos calientes o a cocinar por debajo de 100 ° C, 1 si es posible hervir agua (> 100 ° C) y 2 cuando el sistema permite freír u hornear ( > 180? C).
• La escala de tiempo para el almacenamiento de calor (t) también se califica. Para dos almacenes, este parámetro puede variar dependiendo de la calidad del calor y el aislamiento. Si la cocina está diseñada para dar inercia al sistema solo cuando el sol no brilla, el grado es 0, 1 si es posible cocinar durante la noche y 2 si se puede mantener una cantidad decente de calor a la mañana siguiente.
• El tamaño del dispositivo (Sz) también se considera. Una cocina pequeña es potencialmente más atractiva debido a su flexibilidad de instalación y al ser más liviana. Este parámetro está en general directamenterelacionado con el tamaño del colector. Se da 0 para cocinas que ocupan 3 m2 o más, 1 si la cocina ocupa entre 1,5 y 3 m2, y 2 si el tamaño es inferior a 1,5 m2
 
• Otro parámetro considera los problemas de seguridad (Sf). Se pueden identificar dos preocupaciones principales de seguridad: el uso de productos químicos reactivos y el uso de un sistema presurizado. Ambos conceptos pueden ser una preocupación para el uso no riguroso de la cocina. Además, un sistema presurizado puede requerir mantenimiento adicional, disminuyendo así el atractivo de la cocina. La calificación es la siguiente: 0 si ambos problemas están involucrados, 1 para uno u otro y 2 si no hay ningún problema de seguridad.
• Algunos colectores necesitan rastrear el sol para ser lo suficientemente eficientes (Tr). Cualquier sistema de seguimiento aumenta el rendimiento, pero ese parámetro ya se ha considerado. Sin embargo, el seguimiento es una restricción: hoy en día, generalmente son automáticos, pero aumentan la complejidad del sistema. La clasificación que se usa aquí es 0 si se necesita un sistema de rastreo, o se necesita un ajuste manual cada 10 min o menos, y 1 para no rastrear, o un ajuste de más de 10 min (como las ollas de cocina).
• El índice de concentración (C) también puede ser un problema. Una alta relación de concentración permite mayores flujos de calor e implica un mejor potencial para altas temperaturas; pero las parábolas y los dispositivos de alta concentración pueden provocar daños oculares y riesgos de quemaduras. Por estas razones, la calificación es entonces 0 si hay una alta proporción de concentración (> 40) que conduce a altas temperaturas (generalmente parábolas) y 1 cuando la concentración es baja o inexistente (por ejemplo, ollas de cocción, comederos, paneles planos).
• Algunos sistemas necesitan un circuito de circulación con un fluido de transferencia de calor para funcionar (HTF).
Esto hace que el sistema sea más complejo de construir y operar, lo que requiere mantenimiento y una profunda comprensión de los problemas técnicos. La calificación utilizada aquí es 0 si hay un bucle de circulación y 1 si no.
• Al separar la colección de calor y la parte de extracción de calor (Sep), el sistema se vuelve más atractivo. Se hace posible cocinar dentro o en la sombra, que es mucho más cómodo. La recolección / extracción de la separación se califica como 0 si no hay separación y 1 si hay separación.
La facilidad de fabricación (E) también debe considerarse. Si un sistema es fácil de hacer, se puede propagar o reparar mucho más rápido. Se proporciona 1 si el sistema puede estar hecho de materiales disponibles localmente, gratuitos o disponibles en la mayoría de las tiendas, y 0 si se necesita material importado o de nivel industrial.
• En general, es posible usar la cocina mientras se está cargando (CkCh); sin embargo, algunas cocinas no ofrecen esta oportunidad: se da 1 si es posible cocinar mientras se está cargando y 0 si no es posible.
• Finalmente, se incluye la relación de carga / tamaño de alimentos (FL / Sz). De hecho, una cocina que permanezca compacta mientras es capaz de cocinar grandes cantidades de alimentos es más atractiva. Para estimar esta relación, simplemente se agregan los valores de tamaño y carga de alimentos (FLþSz), y luego se da 1 si la suma es 2 y 0 si la suma es 1. Tenga en cuenta que la cuestión del costo no es
 considerado aquí: se incluye indirectamente en
los otros parámetros: tamaño, seguimiento, bucle de circulación y facilidad de fabricación.
3 resultados
3.1 Valores de calor sensible y latente para diferentes
Materiales
Se prueban diferentes materiales para el almacenamiento de calor. La mayoría de los sistemas están basados ​​en calor latente; Algunos de ellos usan solo calor sensible. Además, los materiales de fusión tienen diferentes temperaturas de fusión. Los datos térmicos de cada uno de los materiales utilizados en el almacenamiento de calor diferente se enumeran juntos para facilitar la comparación. Para un material dado, la entalpía de fusión de fusiles, en kJ / kg, proporciona una gran cantidad de calor latente a la temperatura de fusión Tm. Pero también se puede utilizar una parte del calor sensible; un intervalo de 20 ° C antes del punto de fusión se incluye en los cálculos. También facilita la comparación entre materiales de almacenamiento sensibles al calor y latentes. Es importante notar que en la práctica, el almacenamiento rara vez está hecho de un material único; El objetivo aquí es comparar los materiales elegidos específicamente para su almacenamiento de calor debido a sus propiedades físicas. La correspondencia entre los materiales y las cocinas se indica utilizando la letra de cada cocina (punto 2.2). Para un material sensible al calor, el calor sensible Cp (en kJ / kg.? C) se multiplica por el rango de temperatura ΔT para calcular la capacidad de calor Q (Ec. 25.1). Sólo se enumeran los datos para ΔT ¼ 20? C:
Q = Cp ΔT
Cuando se produce la fusión, se agrega el latfus de calor latente para obtener la capacidad de calor global (Ec. 25.2):
Q = Cp ΔT + Δhfus					(25.2)
Para comparar la compacidad de cada material, se calcula la densidad de calor Qd, utilizando la densidad ρ (Ec. 25.3):
Qd = Q ρ
De hecho, los materiales densos no parecen ser muy competitivos a menos que consideremos la capacidad de calor volumétrico en lugar de la masa. Los sistemas compactos pueden ser fácilmente aislados e instalados.
Finalmente, se realiza una comparación de la densidad de calor Qd en un rango de 100 ° C para los materiales relevantes (utilizando un valor de Q calculado para un rango de 100 ° C). De hecho, cuando un sistema se puede usar a altas temperaturas, su rango de temperatura útil se vuelve potencialmente más alto. Este cálculo se realiza para los materiales que se funden a más de 150 ° C y para los sistemas de calor sensible. Los resultados se muestran en la Tabla 25.1.
3.2 Comparación de cocinas solares con almacenamiento de calor
Ahora que todas las características están seleccionadas, las diferentes cocinas se enumeran en una tabla y los datos se convierten en una clasificación correspondiente (Tabla 25.2). A partir de estos datos, se hace un gráfico de dispersión para comparar las cocinas (Fig. 25.2). La parte de "aspectos técnicos" es la suma de FL, Tp, Ck y t. Los "aspectos prácticos" son la suma de Sz, Sf, Tr, C, HTF, Sep, E, CkCh y FL / Sz.
INNOVADORA COCINA SOLAR PORTÁTIL QUE UTILIZA LOS RESIDUOS DEL EMBALAJE.
DE SUMINISTROS HUMANITARIOS
1-. INTRODUCCION
La innovadora cocina solar portátil que utiliza el desecho del embalaje de los suministros humanitarios Las instalaciones para cocinar se encuentran entre los productos más necesarios para las personas que viven y experimentan emergencias. Además, dentro de los campamentos humanitarios, la gestión de residuos es uno de los problemas más críticos. Este documento revisa las soluciones existentes y presenta una cocina solar portátil de fácil uso derivada de los residuos de envases de cartón reciclado. El dispositivo desarrollado está totalmente integrado en una caja de cocina completa adjunta a las ayudas humanitarias, convirtiéndose en un sistema de cocina completamente independiente que no requiere fuentes de energía tradicionales externas. La cocina permite calentar, cocinar comidas y hervir agua, así como purificar el agua cruda de los ríos y lagos. Los autores diseñaron, desarrollaron y probaron varios prototipos de cocinas solares para definir la mejor forma y el rango de eficiencia esperado. Las pruebas de campo del laboratorio son alentadoras y, en un futuro próximo, se enviarán varios prototipos a los campamentos humanitarios para su prueba operativa.
Cocinar es una de las principales necesidades de las personas en todo el mundo [1–3]. En los países en desarrollo, la cocina representa una parte importante del consumo de energía, es decir, aproximadamente el 90% del consumo total de energía del 45% del sector doméstico mundial [4]. La gente en los países en desarrollo usualmente utilizaleña y carbón para cocinar [5]. La alta demanda de estos dos combustibles conduce a la degradación ambiental debido a que los suministros de madera muerta se agotan progresivamente y los árboles vivos se cortan de maneras no controladas [6]. El método tradicional utilizado para cocinar con estos combustibles es la técnica llamada "fuego de tres piedras" [4,7]. La olla de cocción se apoya en tres piedras, ladrillos o clavijas de metal y se calienta con leña o carbón vegetal. Tales métodos son altamente ineficientes, es decir, solo el 15% de la energía liberada ingresa al agua o al alimento [3]. Además, el fuego produce humo a menudo causando enfermedades respiratorias, especialmente para las mujeres, que están a cargo de la actividad de cocina [8], y sus hijos, que generalmente viven con ellas. En áreas con alta densidad de población, como las regiones urbanas del mundo en desarrollo y las regiones cercanas a los campamentos de refugiados humanitarios, la falta de suministro de leña es un problema aún más grande [9]. Un informe de la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) muestra que, entre 1990 y 2010, el stock mundial de biomasa disminuyó un 3,6% y las mayores disminuciones se registran en América del Sur y África [8]. Debido a la falta y al alto costo de las fuentes de energía fósiles y otras fuentes de energía tradicionales, la búsqueda de alternativas efectivas y más económicas es un tema crucial dentro del contexto humanitario [10]. La energía solar se está convirtiendo rápidamente en una alternativa viable [11,12] y el uso de cocinas solares se está extendiendo ampliamente a varios países en desarrollo, aldeas y áreas remotas [13]. Las cocinas solares también son de gran beneficio en los campamentos humanitarios y en las regiones afectadas por catástrofes [14]. Utilizan rayos solares para calentar, cocinar o pasteurizar alimentos y bebidas [15]. Estos dispositivos deben ser de bajo costo y fáciles de usar, lo que significa que las personas no tienen dificultades para cambiar a tales sistemas de cocción [16]. Finalmente, las cocinas solares son conocidas como sistemas solares amigables con el medio ambiente [17].
A partir de estos antecedentes, este documento combina los problemas de
proporcionando instalaciones de cocción eficaces y gestionando adecuadamente los residuos de envases [18]. Los autores desarrollan un dispositivo portátil de cocción solar a partir del cartón utilizado en el envasado de suministros humanitarios. La cadena de suministro humanitaria es una fuente importante de residuos de envases, cartón, paletas, elementos de madera y plásticos, que pueden representar un recurso valioso desde el punto de vista del ahorro social y ambiental [19,20]. Como ejemplo, el papel reciclado ahorra, aproximadamente, de 490 a 1460 kg de CO2-eq. por tonelada de residuos de papel [20]. Existen grandes ahorros potenciales [21]. A nivel mundial, al ampliar el problema de los desechos para incluir los desechos resultantes de catástrofes naturales y provocadas por el hombre, es decir, el llamado Desastre de Desastres (DW), surgen importantes problemas de sostenibilidad mundial [19]. Por esta razón, las soluciones valiosas para este problema son fuertemente recomendadas. Centrándose en el envasado, al analizar los envíos típicos de varias organizaciones 
humanitarias, la incidencia general de los materiales de envasado es de 10 a 12% en masa (Fig. 1). El final de la vida útil del embalaje debe convertirse en un recurso importante que evite los efectos negativos inmediatos ya largo plazo de los residuos no gestionados [18] y la pérdida de dinero de los materiales de embalaje enviados de inmediato a su llegada a las zonas de emergencia. De acuerdo con los temas introducidos, este documento está organizado de la siguiente manera: la siguiente Sección 2 presenta y revisa los principios de la cocina solar. La Sección 3 describe la cocina solar portátil propuesta para el uso posterior de los residuos de envases. Las pruebas experimentales se encuentran en la Sección 4. Finalmente, el análisis de los resultados y las conclusiones en papel se encuentran en la última Sección 5.
 2. Principios y revisión de la cocina solar.
Cocinar con energía solar no es una idea novedosa [22]. Según Halacy y Halacy, el primer científico que experimentó la cocción solar fue el físico alemán Tschirnhausen (1651–1708) [23]. Utilizó una lente grande para enfocar los rayos solares que hierven el agua en una olla de barro [22]. Durante los siglos siguientes, se realizan múltiples experimentos relacionados con los dispositivos de cocción solar [7]. El interés público en las cocinas solares aumenta en los años 50 y 60, cuando se prueban y difunden la mayoría de las variantes de diseño básicas. Las cocinas solares absorben la energía solar y la convierten en calor concentrado en un área manchada donde se encuentra el objetivo, por ejemplo. Una olla con comida, agua o bebidas. El calor permite cocinar, hornear o hervir. Una cocina solar es la forma más sencilla, segura y conveniente de cocinar alimentos sin consumir combustible. Además, es práctico debido a su simplicidad inherente y bajo costo [24]. La literatura propone un amplio número de configuraciones de cocina solar. Su tecnología de trabajo incluye tres macro-categorías principales dependiendo de su forma (parabólica o no), la trayectoria del rayo solar (concentración o no concentración) y la forma de calentamiento (directa o indirecta). La Fig. 2 ejemplifica tres configuraciones básicas de concentrador, caja solar (o horno solar) y cocina solar indirecta que cruza las categorías introducidas. Se proponen desarrollos y modificaciones a partir de tales configuraciones básicas que varían las formas, materiales y dimensiones. Las revisiones extensas sobre las soluciones existentes están en [15,24,26,27]. Según la literatura, los siguientes están entre los sistemas más desarrollados y prometedores [15].
2.1. La cocina india de la caja
Más conocido como cocina de caja solar o horno solar, está hecho de una caja exterior de plástico o de chapa metálica reforzada con fibra, una caja interior de aluminio, un esmalte de doble templado y una tapa de reflector de espejo de vidrio único [7]. En algunas aplicaciones, incluye una bombilla como fuente de calor de respaldo.
2.2. La cocina Telkes
En 1953, la Dra. Maria Telkes, activa en tecnologías solares en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), trabajó en el desarrollo de un horno solar sobre la base de la teoría de la cocina de cajas solares. El objetivo era mejorar los hornos solares existentes, permitiendo la preparación de cualquier cocina nacional por parte de individuos de cualquier país del mundo, lo suficientemente seguros como para que los niños los usen, liberando al cocinero de la agitación constante y sin quemar los alimentos [28]. La cocina Telkes es una cocina de caja con una serie de cuatro reflectores de espejo externos que se utilizan como refuerzo térmico para mejorar la eficiencia y el tiempo de cocción del horno solar [29]. Es un buen ejemplo del horno solar que se puede producir en serie a un precio razonable para permitir que se extienda a los entornos más pobres [30].
Bienes de envio
Caja de madera
Caja de cartón
Caja de acero
El plastico
Paleta
Tecnologías de cocina solar: concentrador (a), caja solar (b) y cocina solar indirecta
2.3. La cocina de Tabor
Durante los años 90, Harry Tabor, ex Director del Laboratorio Nacional de Física de Israel [31], inventó el primer concentrador parabólico, utilizando una serie de espejos de afeitar, para el uso de energía térmica de los rayos solares [7]. La cocina Tabor es otro recurso térmico clave para cocinar, especialmente en países pobres. Está hecho de 12 espejos de vidrio cóncavos montados en un marco de metal en un montaje de dos ejes. Más de 500W se envían al objetivo en condiciones de luz solar brillante [32].
Además, la crisis del petróleo de principios de los años 70 contribuyó a los esfuerzos por volverse menosdependientes de las fuentes de energía no renovables. El cultivo de madera y otras carencias de energía natural, en combinación con la expansión de las poblaciones en China e India, fomentó la investigación sobre fuentes de energía alternativas. El nacimiento del grupo ULOG en Suiza, EG Solar en Alemania y Solar Cookers International contribuyó significativamente al desarrollo de los sistemas de cocción solar [22]. En los Estados Unidos, el trabajo de Kerr y Cole resultó en y kit de cocina solar eficaz que es fácil de construir [27] y aún se usa en la actualidad [22]. Se llama eco-cooker porque se ensambla a partir de kits de cartón prefabricados [24]. Finalmente, en mayo de 2010, en Jamhuriat High School en Afganistán, la cocina comunitaria Scheffler está instalada y equipada con cocinas solares parabólicas [8]. El interés en mejorar las características y la eficiencia de la cocina solar sigue siendo real y estudiado por varios investigadores [33].
En este documento, se presta especial atención a la concentración de cocinas solares (ver Fig. 2a). Son las soluciones más simples, compactas y potencialmente más eficientes [24]. Consisten en un panel reflector que enfoca la radiación solar incidente sobre el objetivo, es decir, la olla de cocción [34,33,32,30]. Este enfoque es capaz de generar altas temperaturas, adecuadas para una amplia variedad de aplicaciones, que varían entre 150 ° C y 400 ° C, dependiendo de la radiación solar, la superficie del reflector de la cocina solar y el factor de concentración general [35].
Tales soluciones podrían tener un impacto importante en la pobreza
Reducción en áreas en desarrollo para múltiples complementarias
razones [36]:
- los sistemas de cocción solar utilizan energía solar renovable y restringen el uso de combustibles fósiles para cocinar y calentar alimentos [3,4,7] conservando los preciosos recursos naturales [36]. En realidad, la madera y el carbón son los principales combustibles fósiles utilizados para cocinar en los campamentos humanitarios y en los países en desarrollo donde casi 3 mil millones de personas cocinan y hierven agua con leña [22,37,38]. Alrededor del 80% del gasto en servicios energéticos de los pobres se destina al combustible para cocinar [3]. En África, las mujeres y los niños pasan hasta cuatro horas por día recolectando leña para cocinar [22,39]. Por el contrario, los rayos solares son gratuitos y están disponibles durante todo el año, especialmente en áreas con alta radiación solar, como el área del cinturón solar [40,41];
- las cocinas solares permiten pasteurizar o esterilizar el agua de una manera sencilla y eficiente, ayudando a prevenir la dracunculosis, la diarrea u otras enfermedades comunes causadas por bacterias transmitidas por el agua [42]. La Organización Mundial de la Salud (OMS) estima que las enfermedades diarreicas matan a 1,6 millones de personas al año, en su mayoría niños menores de cinco años [43]. En la actualidad, aproximadamente 1.100 millones de personas en todo el mundo carecen de acceso a agua potable limpia y utilizan superficies inseguras y fuentes de agua subterránea no limpias [44–46];
- El uso de la cocina solar reduce el problema de la contaminación del aire [47]. Las cocinas solares no generan emisiones de aire [47]. En áreas en desarrollo, la contaminación del aire es causada por la baja eficiencia de los "incendios de tres piedras" utilizados en chozas y carpas [7,15,48]. El fuego que se quema con baja eficiencia produce un humo tóxico considerable [8]. En lugares con poca ventilación, el humo dentro y alrededor de las casas a menudo excede los niveles aceptables para partículas finas en más de 100 veces [49]. Estas partículas, respiradas por personas, causan efectos desastrosos en la salud, p. Ej. Neumonía, enfermedades pulmonares obstructivas crónicas, cáncer de pulmón, inflamación de las vías respiratorias y los pulmones y enfermedades oculares [1]. Según la OMS [1], 4,3 millones de personas mueren cada año debido a su exposición a la contaminación del aire en los hogares. Este fenómeno se conoce como contaminación del aire interior o contaminación del aire en el hogar [1,38,50,51].
3. Cocina solar portátil propuesta
La idea principal de este estudio es construir una cocina solar concentrada mediante el reciclaje de la caja de cartón utilizada para el empaque de suministros humanitarios. En particular, se utiliza el paquete de caja de cocina, es decir, la caja que contiene un juego de cocina completo con tenedores, cuchillos y ollas que las organizaciones humanitarias suelen enviar a las zonas de crisis (Fig. 3). A partir de la literatura, se propone un conjunto de formas tentativas de la cocina solar. El objetivo es tener una solución simple y portátil, fácil de construir, usar y enviar, obtenida de la caja de cartón de la cocina después de su finalización. Después de un examen preliminar, cuatro formas potenciales de plegar el material parecen ser interesantes. Sus actuaciones se investigan a través de una sesión de prueba, llamada prueba de elefante a continuación, para identificar la mejor forma que une la eficiencia de calentamiento adecuada para un fácil montaje y uso. Los resultados de la prueba de elefante se encuentran en la siguiente Sección 3.1.
3.1. Prueba de elefante para la evaluación de la forma de la cocina solar
La Fig. 4 presenta las cuatro formas tentativas introducidas para estudiar en busca de un buen equilibrio entre la eficiencia del calor y la complejidad de ensamblaje y uso. La caja de juego de cocina no tiene ninguna superficie metalizada para aumentar la reflectividad. Se realiza la unión manual de una película de aluminio. Dicha película es papel de aluminio doméstico para cocinar con 0,016 mm de espesor. Refleja hasta el 98% de la luz y el calor infrarrojo [15]. Esta solución preliminar preliminar es aceptable para los fines de esta prueba comparativa preliminar. La siguiente Fig. 5 ejemplifica el diseño y el procedimiento de ensamblaje para la forma poliédrica, es decir, el más complejo de ensamblar.
La caja de cartón en forma de cubo se corta para obtener dos grandes paneles rectangulares de aproximadamente 300 450 mm2. Cada panel está formado por una cara cuadrada de la caja y una solapa. Luego, se dibujan seis líneas de plegado. Cada línea está aproximadamente a 15 ° de las dos esquinas de embalaje. También es necesario cortar las "líneas de corte" y pegar la película de aluminio en el lado interior de los dos paneles de cartón rectangulares grandes. La siguiente fase es doblar las "líneas de plegado" y ensamblar los dos paneles rectangulares grandes, como se muestra en la Fig. 5. Finalmente, para apoyar el dispositivo, un pequeño pedazo de cartón empuja hacia adelante el borde inferior del panel cuadrado central por un Distancia de aproximadamente 10 cm desde el borde posterior. Dados los prototipos, su capacidad de calentamiento proviene de la comparación directa de las temperaturas alcanzadas por una olla que contiene 0.5 l de agua, ubicada en el objetivo de la cocina solar, cuando se calienta en las mismas condiciones de radiación solar. La complejidad de montaje y uso se mide cualitativamente.
Se realizan diferentes recorridos en Bolonia, Italia (Latitud 44 ° 300 Norte, Longitud 11 ° 210 Este, Altitud 42 m a.s.l.) bajo condiciones meteorológicas comparables en términos de irradiancia solar, temperatura externa y hora del día. Tanto la radiación solar como la temperatura del agua se miden continuamente (tiempo de muestreo de 25 s). El piranómetro Pyra 03AC de Delta Ohm-LP adoptado funciona en el rango nominal [0; 2000] W / m2 con una sensibilidad de 17.09 μV / (W / m2) - resistencia interna de 37.6 Ω, mientras que el termopar Pt100 funciona en el rango nominal [0; 101.5] ° C con una precisión de 0.3%.
La figura 6 resume los rendimientos de los cuatro prototipos después de
una hora de carrera.
Dos de las cuatro formas superan a las otras. La forma poliédrica (línea verde) presenta un gradiente rápido a baja temperatura, es decir, por debajo de 40 ° C, yluego aumenta lentamente, mientras que la forma parabólica (línea roja) tiene una tendencia casi lineal que alcanza el mejor rendimiento en una hora. de trabajo, es decir, 57 ° C. El seguimiento
La Tabla 1 une estos resultados al segundo controlador del análisis, es decir, la complejidad de ensamblaje y uso.
Con respecto a la complejidad del ensamblaje y el uso, las formas bi-rectangulares y parabólicas superan a las otras configuraciones debido al menor tiempo de ensamblaje y la mayor flexibilidad en el uso, la configuración y la orientación a los rayos solares. De la Tabla 1, la forma parabólica aparece como el mejor equilibrio entre los dos impulsores clave. La investigación adicional se centra en este refinamiento de la forma y la evaluación de su eficiencia energética a través de otras pruebas cuantitativas.
tabla 1
Resultados globales de la prueba del elefante.
		Polihédrico	 Semicilíndrico 	Bi-rectangular	 Parabólico
Rendimiento de 
Calefacción	Casi alto 	Bajo 		Casi bajo 	Alto
Montaje	Muy complejo Bastante complejo Muy fácil Bastante fácil
Uso de la 
Complejididad
4. Ensayo experimental de cocina solar parabólica.
Las siguientes pruebas de eficiencia en la cocina solar parabólica utilizan el cartón del juego de cocina metalizado mediante un proceso industrial para aumentar la reflectividad (6 mm de laminación Al). Después del ensamblaje de la forma (Fig. 7), la prueba experimental es una prueba de agua en ebullición, de acuerdo con las necesidades dentro del campo humanitario. La prueba se organiza en el mismo lugar que antes, es decir, Bolonia, Italia (Latitud 44 ° 300 Norte, Longitud 11 ° 210 Este, Altitud 42 msnm), utilizando 0,5 l de agua dentro de una olla cilíndrica de aluminio cerrada (grosor: 2 mm, diámetro: 100 mm, altura: 150 mm). De acuerdo con la práctica, la olla se coloca en una bolsa de PET de cocción transparente cerrada (grosor: 25.4 μm) y se ubica en el objetivo de la cocina solar parabólica. Luego, la cocina solar está correctamente orientada hacia los rayos solares y reorientada cíclicamente para seguir el arco solar (el enfoque óptimo requiere una reorganización cada 20 minutos). La figura 8 presenta el conjunto de prueba. Se realizan dos pruebas, llamadas Prueba 1 y Prueba 2 a continuación. La prueba 1 es una prueba de la mañana completada en verano de 10:48 a.m. a 12:48 a.m. La temperatura externa promedio es de 33.1 ° C, la humedad externa es de 52.35% y el viento promedio es de 12.6 km / h. La prueba 2 es una prueba de la tarde completada en verano de 2:11 a 16:36. La temperatura externa promedio es de 27.4 ° C, la humedad externa es de 51.20% y el viento promedio es de 11.9 km / h. Estas dos pruebas simulan posibles condiciones de trabajo típicas de la cocina solar dentro del entorno operativo. La siguiente Fig. 9 presenta los perfiles de la temperatura medida del agua para las dos pruebas junto con el nivel de radiación solar.
4.1. Resultados y discusión
La potencia de calentamiento promedio de una cocina solar, Q, está en la ec. (1) [9,24].
dónde:
Capacidad de calor específico del agua Cp a presión constante, igual a
4186 J / (kg ° C)
m masa del agua [kg]
Temperatura ambiente del agua Ta [° C]
Temperatura de ebullición del agua Tb [° C]
Intervalτ intervalo de tiempo de ebullición [s].}
Por lo general, Tb se supone igual a 95 ° C para evitar la incertidumbre de
El punto exacto de ebullición del agua (depende de las ubicaciones exactas).
Además, la eficiencia de conversión térmica global, η, es la
siguiendo:
dónde:
Una superficie colectora, igual a 0,72 m2.
I Radiación solar media entrante [W / m2]
La siguiente Tabla 2 resume las evidencias de la Prueba 1
y Prueba 2.
Una serie de otras pruebas en condiciones similares confirman una eficiencia esperada en el rango de 14% a 18%. Tales resultados son casi comparables con el dispositivo de cocción “fuego de tres piedras” pero son de una fuente renovable y de cartón reciclado. Las ventajas de tal sistema son evidentes.
Tabla 2
Resultados de pruebas experimentales en cocinas solares parabólicas.
Fig. 9. Resultados de la prueba de agua en ebullición, Prueba 1 (a) de la mañana y Prueba 2 (b) de la tarde, (el nivel de radiación solar es el área sombreada).
Finalmente, a través de un análisis inverso, utilizando la eficiencia del
la cocina solar de la Tabla 2 y la radiación solar promedio de un área del cinturón solar, por ej. 1100 W / m2 para la región etíope, el
El tiempo necesario para hervir 0,5 kg de agua en las condiciones introducidas es de aproximadamente 1,4 h.
5. Conclusiones y futuras investigaciones.
La gente en los países en desarrollo hace uso de "tres fuegos de piedra" para cocinar usando piedras y madera local. Tales incendios son ineficientes, producen humo y causan enfermedades respiratorias e impactan en el agotamiento de los recursos naturales locales. Además, en el caso de emergencias humanitarias, una gran cantidad de ayudas, tales como tiendas de campaña, mantas, juegos de cocina, etc., se suministran a las áreas afectadas por la crisis. Sus paquetes, que se convierten en desperdicios después de la llegada, se recogen en los alrededores y se desechan abiertamente en áreas de vertido con efectos negativos inmediatos ya largo plazo. Además, el transporte de materiales de embalaje que se convierten en desechos inmediatamente después de su llegada representa un desperdicio de dinero. Combinando este tipo de problemas, las cocinas solares portátiles, hechas con el embalaje de cartón de suministros humanitarios, son de interés. Este estudio revisa el estado del arte de esta tecnología y demuestra que una cocina solar portátil de cartón metalizado reutilizado de utensilios de cocina de ayuda humanitaria podría ser un dispositivo de cocina importante para las personas que viven en países en desarrollo o en campos humanitarios donde la falta de combustibles fósiles y La madera es un problema cotidiano. Las pruebas de laboratorio destacan cómo una simple cocina solar hecha con cartón podría calentar las comidas o hervir el agua en un tiempo relativamente corto. Se prueban diferentes formas y la configuración parabólica ofrece los mejores resultados con una eficiencia promedio de alrededor del 14-18%, comparable al fuego rudo. La radiación solar disponible en las regiones afectadas por una crisis severa permite fácilmente el uso de este sistema. A partir de las evidencias experimentales descritas, se envían varios prototipos a los campamentos humanitarios para su prueba directa. Además, el estudio del proceso industrial para la fabricación efectiva de una caja de cocina que se puede convertir fácilmente en una cocina solar con líneas de corte y plegado pre-impresas y preformadas es un tema de investigación de futuro. Finalmente, las cocinas solares no son una solución cerrada para resolver el problema de cocción debido a la intermitencia de la radiación solar. Para este propósito, se recomienda el estudio paralelo de los sistemas de almacenamiento térmico que trabajan en conjunto con las cocinas solares para mejorar su rango de aplicabilidad, lo que reduce aún más la pobreza global. Expresiones de gratitud
Los autores aprovechan esta oportunidad para expresar un profundo sentimiento de gratitud al Depósito de Respuesta Humanitaria de las Naciones Unidas (UNHRD) - Programa Mundial de Alimentos (PMA) de Brindisi, Italia, por su apoyo y valiosa información durante el desarrollo de esta investigación.