Una cocina solar es un dispositivo que utiliza la energía de la luz solar directa para calentar, cocinar o pasteurizar bebidas y otros alimentos. Muchas cocinas solares que se utilizan actualmente son dispositivos relativamente económicos y de baja tecnología , aunque algunas son tan poderosas o tan caras como las estufas tradicionales, [1] y las cocinas solares avanzadas a gran escala pueden cocinar para cientos de personas. [2] Debido a que no utilizan combustible y su funcionamiento no cuesta nada, muchas organizaciones sin fines de lucro están promoviendo su uso en todo el mundo para ayudar a reducir los costos de combustible y la contaminación del aire, y para ayudar a frenar la deforestación y la desertificación .
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En la antigüedad, se creía que el uso de la energía solar existía en civilizaciones como los griegos , los romanos y los chinos , aunque no para cocinar. [3]
La primera descripción académica de los principios de una cocina solar la realizó el geólogo, meteorólogo, físico y explorador alpino suizo Horace-Bénédict de Saussure , en 1767 . El principio de cocinar alimentos con luz solar fue desarrollado en gran medida en la Legión Extranjera Francesa , en la década de 1870. [4]
Se utiliza una superficie de espejo con alta reflexión especular para concentrar la luz del sol en una pequeña área de cocina. Dependiendo de la geometría de la superficie, la luz solar podría concentrarse en varios órdenes de magnitud, produciendo temperaturas lo suficientemente altas como para derretir la sal y el metal. Temperaturas tan altas no son realmente necesarias para la mayoría de las aplicaciones domésticas de cocina solar. Los productos de cocina solar generalmente están diseñados para alcanzar temperaturas de 65 °C (150 °F) (temperaturas de horneado) a 400 °C (750 °F) (temperaturas de asado/dorado) en un día soleado.
Esta energía luminosa luego se convierte en energía térmica. Las cocinas solares concentran la luz solar en un receptor, como una cacerola. La interacción entre la energía luminosa y el material receptor convierte la luz en calor y esto se llama absorción. La conversión se maximiza mediante el uso de materiales que absorben, conducen y retienen el calor. Las ollas y sartenes utilizadas en las cocinas solares deben ser de color negro mate para maximizar la absorción.
Es importante atrapar la energía térmica y reducir la convección aislando el aire dentro de la cocina del aire fuera de la cocina. El simple uso de una tapa de vidrio en la olla mejora la absorción de luz desde la parte superior de la olla y proporciona un efecto invernadero que mejora la retención de calor y minimiza la pérdida por convección . Este "vidriado" transmite la luz solar visible entrante pero es opaco a la radiación térmica infrarroja que se escapa. En entornos con recursos limitados, una bolsa de plástico para alta temperatura puede cumplir una función similar, atrapando aire en su interior y permitiendo alcanzar temperaturas en días fríos y ventosos similares a las posibles en días calurosos.
Los diferentes tipos de cocinas solares utilizan métodos de cocción algo diferentes, pero la mayoría sigue los mismos principios básicos.
La comida se prepara como para un horno o una estufa. Sin embargo, debido a que los alimentos se cocinan más rápido cuando están en trozos más pequeños, los alimentos que se colocan dentro de una cocina solar generalmente se cortan en trozos más pequeños de lo que podrían ser de otra manera. [5] Por ejemplo, las patatas generalmente se cortan en trozos pequeños en lugar de asarse enteras. [6] Para una cocción muy sencilla, como derretir mantequilla o queso, es posible que no sea necesaria una tapa y la comida se puede colocar en una bandeja descubierta o en un recipiente. Si se van a cocinar varios alimentos por separado, se colocan en recipientes diferentes.
El recipiente de comida se coloca dentro de la cocina solar, que puede estar elevada sobre un ladrillo, roca, salvamanteles de metal u otro disipador de calor , y la cocina solar se coloca bajo la luz solar directa. [5] Los alimentos que se cocinan rápidamente se pueden agregar a la cocina solar más tarde. El arroz para la comida del mediodía se puede comenzar temprano en la mañana y agregar verduras, queso o sopa a la cocina solar a media mañana. Dependiendo del tamaño de la cocina solar y del número y cantidad de alimentos cocinados, una familia puede utilizar una o más cocinas solares.
Un horno solar se gira hacia el Sol y se deja hasta que se cocine la comida. A diferencia de cocinar en una estufa o sobre el fuego, que puede requerir más de una hora de supervisión constante, los alimentos en un horno solar generalmente no se revuelven ni se voltean, porque es innecesario y porque abrir el horno solar permite que el calor atrapado se disipe. escapar y por lo tanto ralentiza el proceso de cocción. Si se desea, se puede revisar el horno solar cada una o dos horas, para girarlo de manera que mire al Sol con mayor precisión y para garantizar que las sombras de los edificios o plantas cercanas no hayan bloqueado la luz del sol. Si la comida se va a dejar desatendida durante muchas horas durante el día, entonces el horno solar a menudo se gira hacia el punto donde estará el Sol cuando aparezca más alto en el cielo, en lugar de hacia su posición actual. [7]
El tiempo de cocción depende principalmente del equipo que se utilice, la cantidad de luz solar en ese momento y la cantidad de alimentos que se deben cocinar. La temperatura del aire, el viento y la latitud también afectan el rendimiento. Los alimentos se cocinan más rápido en las dos horas anteriores y posteriores al mediodía solar local que temprano en la mañana o al final de la tarde. Grandes cantidades de alimentos y alimentos en trozos grandes tardan más en cocinarse. Por ello, sólo se pueden dar cifras generales sobre el tiempo de cocción. Con una pequeña cocina con paneles solares, sería posible derretir mantequilla en 15 minutos, hornear galletas en 2 horas y cocinar arroz para cuatro personas en 4 horas. Con una cocina solar parabólica de alto rendimiento, es posible que puedas asar un bistec en minutos. Sin embargo, dependiendo de las condiciones locales y del tipo de cocina solar, estos proyectos podrían tardar la mitad o el doble.
Es difícil quemar alimentos en una cocina solar. [6] Los alimentos que se han cocinado incluso una hora más de lo necesario suelen ser indistinguibles de los alimentos mínimamente cocinados. La excepción a esta regla son algunas verduras verdes, que cambian rápidamente de un verde brillante perfectamente cocido a un color verde oliva , sin dejar de conservar la textura deseable.
Para la mayoría de los alimentos, como el arroz, la persona típica no podría saber cómo se cocinó al observar el producto final. Sin embargo, existen algunas diferencias: el pan y los pasteles se doran en la parte superior en lugar de en la parte inferior. En comparación con cocinar al fuego, la comida no tiene sabor ahumado.
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Una cocina tipo caja tiene una tapa de vidrio o plástico transparente y puede tener reflectores adicionales para concentrar la luz solar en la caja. Por lo general, la parte superior se puede quitar para permitir colocar dentro ollas oscuras que contienen comida. Se pueden colocar uno o más reflectores de metal brillante o material revestido con papel de aluminio para hacer rebotar luz adicional en el interior de la cámara del horno. Los recipientes de cocción y el fondo interior de la cocina deben ser de color oscuro o negro. Las paredes interiores deben ser reflectantes para reducir la pérdida de calor por radiación y hacer rebotar la luz hacia las macetas y el fondo oscuro, que está en contacto con las macetas. La caja debe tener lados aislados. El aislamiento térmico de la cocina con caja solar debe poder soportar temperaturas de hasta 150 °C (300 °F) sin derretirse ni desgasificarse. Para aislar las paredes de la cocina se pueden utilizar periódicos arrugados, lana, trapos, hierba seca, láminas de cartón, etc. Las ollas y/o bandejas inferiores de metal se pueden oscurecer con pintura en aerosol de color negro mate (una que no sea tóxica cuando se calienta), pintura al temple negra u hollín del fuego. La cocina solar normalmente alcanza una temperatura de 150 °C (300 °F). No está tan caliente como un horno estándar, pero sí lo suficientemente caliente como para cocinar alimentos durante un período de tiempo algo más largo.
Las cocinas solares de paneles son cocinas solares económicas que utilizan paneles reflectantes para dirigir la luz solar a una olla encerrada en una bolsa de plástico transparente.
Los experimentos científicos del horno solar se realizan regularmente como proyectos en escuelas secundarias y universidades, como el "Solar Oven Throwdown" en la Universidad de Arizona . [8] Estos proyectos demuestran que es posible alcanzar altas temperaturas y predecirlas utilizando modelos matemáticos.
Las cocinas solares parabólicas concentran la luz solar en un solo punto. Cuando este punto se centra en el fondo de una olla, puede calentarla rápidamente a temperaturas muy altas que a menudo pueden ser comparables con las temperaturas alcanzadas en las parrillas de gas y carbón. Estos tipos de cocinas solares se utilizan ampliamente en varias regiones del mundo, sobre todo en China y la India, donde cientos de miles de familias utilizan actualmente cocinas solares parabólicas para preparar alimentos y calentar agua. Algunos proyectos de cocinas solares parabólicas en China reducen entre 1 y 4 toneladas de dióxido de carbono por año y reciben créditos de carbono a través del Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) y Gold Standard.
Algunas cocinas solares parabólicas incorporan materiales y diseños de última generación que conducen a eficiencias de energía solar >90%. Otros son lo suficientemente grandes como para alimentar a miles de personas cada día, como el cuenco solar de Auroville en India, que prepara dos comidas al día para 1.000 personas. [9]
Si un reflector es axialmente simétrico y tiene una forma tal que su sección transversal es una parábola , tiene la propiedad de llevar rayos de luz paralelos (como la luz solar) a un foco puntual . Si el eje de simetría apunta hacia el Sol, cualquier objeto que se encuentre en el foco recibe luz solar muy concentrada y, por tanto, se calienta mucho. Esta es la base para el uso de este tipo de reflector para cocina solar.
Los paraboloides son curvas compuestas, que son más difíciles de hacer con equipos simples que las curvas simples. Aunque las cocinas solares paraboloidales pueden cocinar tan bien o mejor que una estufa convencional, son difíciles de construir a mano. Con frecuencia, estos reflectores se fabrican utilizando muchos segmentos pequeños que son todos curvas simples que en conjunto se aproximan a curvas compuestas.
Aunque los paraboloides son difíciles de fabricar a partir de láminas planas de material sólido, se pueden fabricar de forma muy sencilla girando recipientes abiertos que contienen líquidos. La superficie superior de un líquido que gira a velocidad constante alrededor de un eje vertical toma naturalmente la forma de un paraboloide. La fuerza centrífuga hace que el material se mueva hacia afuera desde el eje de rotación hasta que se forma una depresión lo suficientemente profunda en la superficie para que la fuerza se equilibre con el efecto nivelador de la gravedad. Resulta que la depresión es un paraboloide exacto. (Ver Telescopio de espejo líquido ). Si el material se solidifica mientras gira, la forma parabólica se mantiene después de que se detiene la rotación y se puede usar para hacer un reflector. [ cita necesaria ] Esta técnica de rotación se utiliza a veces para fabricar espejos paraboloidales para telescopios astronómicos y también se ha utilizado para cocinas solares. Los dispositivos para construir tales paraboloides se conocen como hornos giratorios .
Los reflectores paraboloidales generan altas temperaturas y se cocinan rápidamente, pero requieren ajustes y supervisión frecuentes para un funcionamiento seguro. Existen varios cientos de miles, principalmente en China. [ cita necesaria ] Son especialmente útiles para la cocina doméstica individual y institucional a gran escala.
Una cocina Scheffler (llamada así en honor a su inventor, Wolfgang Scheffler ) utiliza un gran reflector idealmente parabólico que gira alrededor de un eje paralelo al de la Tierra mediante un mecanismo mecánico, girando a 15 grados por hora para compensar la rotación de la Tierra. El eje pasa por el centro de masa del reflector, lo que permite girar el reflector fácilmente. El recipiente de cocción está situado en el foco que se encuentra en el eje de rotación, por lo que el espejo concentra la luz solar en él durante todo el día. Ocasionalmente, el espejo debe inclinarse alrededor de un eje perpendicular para compensar la variación estacional en la declinación del Sol . Este eje perpendicular no atraviesa el recipiente de cocción. Por lo tanto, si el reflector fuera un paraboloide rígido, su foco no permanecería estacionario en el recipiente de cocción cuando el reflector se inclina. Para mantener el foco fijo, la forma del reflector debe variar. Sigue siendo parabólico, pero su distancia focal y otros parámetros cambian a medida que se inclina. Por lo tanto, el reflector Scheffler es flexible y puede doblarse para adaptar su forma. Suele estar formado por un gran número de pequeñas secciones planas, como espejos de cristal, unidas por plástico flexible. Un marco que soporta el reflector incluye un mecanismo que puede usarse para inclinarlo y también doblarlo adecuadamente. El espejo nunca es exactamente parabólico, pero siempre está lo suficientemente cerca para cocinar. [ cita necesaria ]
A veces, el reflector giratorio está ubicado al aire libre y la luz del sol reflejada pasa a través de una abertura en una pared hacia una cocina interior, a menudo una gran cocina comunitaria, donde se cocina. [ cita necesaria ]
Son útiles los reflectores paraboloidales con sus centros de masa coincidentes con sus puntos focales. Se pueden girar fácilmente para seguir los movimientos del Sol en el cielo, girando alrededor de cualquier eje que pase por el foco. Se pueden utilizar dos ejes perpendiculares, que se cruzan en el foco, para permitir que el paraboloide siga tanto el movimiento diario del Sol como el estacional. La olla permanece fija en el foco. Si el reflector paraboloidal es axialmente simétrico y está hecho de material de espesor uniforme, su centro de masa coincide con su foco si la profundidad del reflector, medida a lo largo de su eje de simetría desde el vértice hasta el plano del borde, es 1,8478 veces su distancia focal. El radio del borde del reflector es 2,7187 veces la distancia focal. El radio angular del borde, visto desde el punto focal, es de 72,68 grados. [ cita necesaria ]
Los cilindros parabólicos se utilizan para concentrar la luz solar con fines de energía solar. Se han construido algunas cocinas solares que las utilizan de la misma forma. [11] Generalmente, la vaguada está alineada con su línea focal horizontal y de este a oeste. Los alimentos a cocinar se disponen según esta línea. La depresión apunta de modo que su eje de simetría apunte al Sol al mediodía. Esto requiere que el comedero se incline hacia arriba y hacia abajo a medida que avanzan las estaciones. En los equinoccios, no es necesario ningún movimiento de la vaguada durante el día para seguir al Sol. [12] En otras épocas del año, hay un período de varias horas alrededor del mediodía cada día en el que no es necesario realizar un seguimiento. Normalmente, la cocina se utiliza sólo durante este período, por lo que no se incorpora ningún seguimiento solar automático. Esta simplicidad hace que el diseño sea atractivo, en comparación con el uso de un paraboloide. Además, al ser de una sola curva, el reflector de cubeta es más sencillo de construir. Sin embargo, adolece de una menor eficiencia.
Es posible utilizar dos cilindros parabólicos, curvados en direcciones perpendiculares, para llevar la luz solar a un foco puntual como lo hace un reflector parabólico. [ cita necesaria ] La luz entrante incide en uno de los canales, lo que lo envía hacia un foco lineal. El segundo canal intercepta la luz convergente y la enfoca en un punto. [ cita necesaria ]
En comparación con un solo paraboloide, el uso de dos canales parciales tiene ventajas importantes. Cada canal es una única curva, que se puede hacer simplemente doblando una hoja plana de metal. Además, la luz que llega a la olla objetivo se dirige aproximadamente hacia abajo, lo que reduce el peligro de dañar los ojos de las personas que se encuentren cerca. Por otro lado, existen desventajas. Se necesita más material de espejo, lo que aumenta el coste, y la luz se refleja en dos superficies en lugar de una, lo que inevitablemente aumenta la cantidad que se pierde.
Los dos canales se mantienen en una orientación fija entre sí estando ambos fijados a un marco. [ cita necesaria ] Todo el conjunto de marco y canales debe moverse para seguir al sol a medida que se mueve en el cielo. Se encuentran disponibles cocinas comerciales que utilizan este método. En aplicaciones prácticas (como en los faros de los automóviles), los espejos cóncavos tienen forma parabólica.
Los reflectores esféricos funcionan de manera muy similar a los reflectores paraboloidales, de modo que el eje de simetría apunta hacia el Sol para que la luz solar se concentre en un foco. Sin embargo, el foco de un reflector esférico no será un foco puntual porque sufre un fenómeno conocido como aberración esférica . Algunas antenas parabólicas (como las antenas parabólicas) que no requieren un enfoque preciso optan por una curvatura esférica en lugar de un paraboloide. Si el radio del borde de un reflector esférico es pequeño en comparación con el radio de curvatura de su superficie (el radio de la esfera de la que forma parte el reflector), el reflector se aproxima a uno parabólico con una distancia focal igual a la mitad del radio. de curvatura. [13]
Las cocinas solares de tubos de vacío están esencialmente selladas al vacío entre dos capas de vidrio. El vacío permite que el tubo actúe como un "súper" invernadero y como aislante . El tubo de cocción central está fabricado en vidrio de borosilicato, resistente al choque térmico, y dispone de vacío debajo de la superficie para aislar el interior. El interior del tubo está revestido de cobre, acero inoxidable y nitrilo de aluminio para absorber y conducir mejor el calor de los rayos del sol. Los sistemas de tubos de cocina solares utilizan un reflector para mejorar la captura de energía térmica. Hay modelos de sistemas de cocción por tubos en la India que tienen dispositivos de almacenamiento de energía instalados en la parte inferior del tubo para almacenar calor para cocinar o calentar alimentos durante la noche.
Estas cocinas solares de tubo de vacío pueden cocinar una comida en tan solo 20 minutos. [14]
Se han donado cartón, papel de aluminio y bolsas de plástico para más de 10.000 cocinas solares al campo de refugiados de Iridimi y a los campos de refugiados de Touloum en Chad gracias a los esfuerzos combinados de Jewish World Watch , la fundación holandesa KoZon y Solar Cookers International . Los refugiados construyen ellos mismos las cocinas, utilizando los suministros donados y goma arábiga comprada localmente . [19] También ha reducido significativamente la cantidad de tiempo que las mujeres pasan cuidando fogatas cada día, con el resultado de que están más saludables y tienen más tiempo para cultivar vegetales para sus familias y hacer artesanías para la exportación. [19] En 2007, Jewish World Watch había capacitado a 4.500 mujeres y había proporcionado 10.000 cocinas solares a los refugiados. El proyecto también ha reducido el número de viajes de búsqueda de alimento hasta en un 70 por ciento, reduciendo así el número de ataques. [ cita necesaria ]
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