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