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 de las cocinas solares que se utilizan actualmente son dispositivos relativamente económicos y de baja tecnología , aunque algunas son tan potentes o tan caras como las estufas tradicionales [1] y las cocinas solares avanzadas y de 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 la griega , la romana y la china , 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 comidas con luz solar fue desarrollado en gran medida en la Legión Extranjera Francesa , en la década de 1870. [4]
Se utiliza una superficie espejada con una alta reflexión especular para concentrar la luz del sol en una pequeña zona de cocción. Según la geometría de la superficie, la luz solar podría concentrarse en varios órdenes de magnitud, lo que produce temperaturas lo suficientemente altas como para derretir la sal y el metal. En realidad, no se necesitan temperaturas tan altas para la mayoría de las aplicaciones de cocina solar doméstica. Los productos de cocina solar suelen estar 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 se convierte luego en energía térmica. Las cocinas solares concentran la luz solar en un receptor, como una sartén. La interacción entre la energía luminosa y el material del receptor convierte la luz en calor, lo que se denomina absorción. La conversión se maximiza utilizando materiales que absorben, conducen y retienen el calor. Las ollas y sartenes que se utilizan 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 olla del aire fuera de ella. 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 resistente a altas temperaturas puede cumplir una función similar, atrapando el aire en el interior y haciendo posible alcanzar temperaturas en días fríos y ventosos similares a las que se pueden alcanzar en días calurosos.
Los distintos tipos de cocinas solares utilizan métodos de cocción ligeramente diferentes, pero la mayoría siguen los mismos principios básicos.
Los alimentos se preparan como si fueran para un horno o una estufa. Sin embargo, como los alimentos se cocinan más rápido cuando están en trozos más pequeños, los alimentos que se colocan dentro de una cocina solar suelen cortarse en trozos más pequeños de lo que podrían ser de otra manera. [5] Por ejemplo, las papas suelen cortarse en trozos del tamaño de un bocado en lugar de asarse enteras. [6] Para cocciones muy simples, como derretir mantequilla o queso, puede que no se necesite una tapa y los alimentos se pueden colocar en una bandeja destapada o en un recipiente. Si se van a cocinar varios alimentos por separado, se colocan en recipientes diferentes.
El recipiente con los alimentos se coloca dentro de la cocina solar, que puede estar elevada sobre un ladrillo, una piedra, un trípode 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 una comida de mediodía se puede comenzar a preparar temprano en la mañana, y las verduras, el queso o la sopa se agregan a la cocina solar a media mañana. Dependiendo del tamaño de la cocina solar y la cantidad y cantidad de alimentos cocinados, una familia puede usar una o más cocinas solares.
Un horno solar se orienta hacia el sol y se deja hasta que la comida esté cocida. A diferencia de cocinar en una estufa o sobre el fuego, que puede requerir más de una hora de supervisión constante, la comida en un horno solar generalmente no se revuelve ni se da vuelta, tanto porque es innecesario como porque al abrir el horno solar se permite que escape el calor atrapado y, por lo tanto, se 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 hacia el sol con mayor precisión y para asegurarse de que las sombras de los edificios o plantas cercanas no hayan bloqueado la luz solar. 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 en las primeras horas de la mañana o en las últimas horas de la tarde. Las grandes cantidades de alimentos y los alimentos en trozos grandes tardan más en cocinarse. Como resultado, solo se pueden dar cifras generales sobre el tiempo de cocción. Con una pequeña cocina con paneles solares, podría ser 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 asar un filete 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 cocinan 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 cocinado a un verde oliva , sin perder la textura deseada.
En el caso de la mayoría de los alimentos, como el arroz, una persona normal no podría saber cómo se cocinaron con solo mirar el producto final. Sin embargo, existen algunas diferencias: el pan y los pasteles se doran por encima en lugar de por debajo. En comparación con la cocción al fuego, los alimentos no tienen un sabor ahumado.
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Una cocina solar tipo cajón tiene una tapa de plástico o vidrio transparente y puede tener reflectores adicionales para concentrar la luz solar en la caja. La tapa se puede quitar para permitir que se coloquen ollas oscuras que contengan alimentos en el interior. Se pueden colocar uno o más reflectores de metal brillante o de material revestido con papel de aluminio para reflejar luz adicional en el interior de la cámara del horno. Los recipientes para cocinar 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 reflejar la luz hacia las ollas y el fondo oscuro, que está en contacto con las ollas. La caja debe tener los lados aislados. El aislamiento térmico para la cocina solar tipo cajón debe poder soportar temperaturas de hasta 150 °C (300 °F) sin derretirse ni desgasificarse. Se pueden utilizar periódicos arrugados, lana, trapos, hierba seca, láminas de cartón, etc. para aislar las paredes de la cocina. Las ollas y/o bandejas inferiores de metal se pueden oscurecer con pintura en aerosol negra mate (que no es tóxica cuando se calienta), témpera negra o con hollín del fuego. La cocina solar de caja normalmente alcanza una temperatura de 150 °C (300 °F). No es tan caliente como un horno estándar, pero aún así es lo suficientemente caliente como para cocinar los alimentos durante un período de tiempo algo más largo.
Las cocinas solares de panel 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 con hornos solares 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 lograr altas temperaturas, así como predecirlas utilizando modelos matemáticos.
Las cocinas solares parabólicas concentran la luz solar en un único punto. Cuando este punto se enfoca en el fondo de una olla, puede calentarla rápidamente a temperaturas muy altas, a menudo comparables con las temperaturas alcanzadas en las parrillas de gas y carbón. Este tipo 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 vanguardia que conducen a eficiencias de energía solar superiores al 90%. Otras son lo suficientemente grandes como para alimentar a miles de personas cada día, como el cuenco solar de Auroville en la India, que prepara 2 comidas por día para 1.000 personas. [9]
Si un reflector es axialmente simétrico y tiene una forma parabólica , tiene la propiedad de atraer rayos de luz paralelos (como la luz del sol) hacia un foco puntual . Si el eje de simetría apunta al Sol, cualquier objeto que se encuentre en el foco recibe luz solar muy concentrada y, por lo tanto, se calienta mucho. Esta es la base para el uso de este tipo de reflectores para cocinar al sol.
Los paraboloides son curvas compuestas, que son más difíciles de hacer con equipos sencillos 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 hacen utilizando muchos segmentos pequeños que son todas curvas simples que juntas se aproximan a curvas compuestas.
Aunque los paraboloides son difíciles de hacer a partir de láminas planas de material sólido, se pueden hacer de forma bastante sencilla haciendo girar recipientes abiertos por la parte superior que contienen líquidos. La superficie superior de un líquido que gira a velocidad constante alrededor de un eje vertical adopta 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. (Véase Telescopio de espejo líquido .) Si el material se solidifica mientras gira, la forma paraboloide se mantiene después de que se detiene la rotación y se puede utilizar para hacer un reflector. [ cita requerida ] Esta técnica de rotación se utiliza a veces para hacer espejos paraboloidales para telescopios astronómicos, y también se ha utilizado para cocinas solares. Los dispositivos para construir tales paraboloides se conocen como hornos rotatorios .
Los reflectores paraboloidales generan altas temperaturas y cocinan rápidamente, pero requieren un ajuste y supervisión frecuentes para un funcionamiento seguro. Existen varios cientos de miles, principalmente en China. [ cita requerida ] Son especialmente útiles para cocinar en hogares individuales y en instituciones a gran escala.
Una cocina Scheffler (que recibe su nombre de su inventor, Wolfgang Scheffler ) utiliza un gran reflector idealmente paraboloide 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 que el reflector gire fácilmente. El recipiente para cocinar está ubicado en el foco que está en el eje de rotación, por lo que el espejo concentra la luz solar sobre él durante todo el día. El espejo debe inclinarse ocasionalmente sobre un eje perpendicular para compensar la variación estacional en la declinación del Sol . Este eje perpendicular no pasa por el recipiente para cocinar. Por lo tanto, si el reflector fuera un paraboloide rígido, su foco no permanecería estacionario en el recipiente para cocinar cuando el reflector se inclina. Para mantener el foco estacionario, la forma del reflector debe variar. Sigue siendo paraboloide, pero su longitud focal y otros parámetros cambian a medida que se inclina. Por lo tanto, el reflector Scheffler es flexible y se puede doblar para ajustar su forma. Suele estar formado por un gran número de pequeñas secciones planas, como espejos de vidrio, unidas por plástico flexible. Un armazón que sostiene el reflector incluye un mecanismo que se puede utilizar para inclinarlo y también para doblarlo adecuadamente. El espejo nunca es exactamente paraboloide, pero siempre se acerca lo suficiente para cocinar. [ cita requerida ]
A veces, el reflector giratorio se encuentra al aire libre y la luz solar reflejada pasa a través de una abertura en una pared hacia una cocina interior, a menudo una gran cocina comunitaria, donde se cocina. [ cita requerida ]
Los reflectores paraboloidales con sus centros de masa coincidentes con sus puntos focales son útiles. Se pueden girar fácilmente para seguir los movimientos del Sol en el cielo, girando sobre cualquier eje que pase por el foco. Se pueden utilizar dos ejes perpendiculares, que se intersecan en el foco, para permitir que el paraboloide siga tanto el movimiento diario del Sol como el estacional. La olla de cocina permanece estacionaria 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 longitud focal. El radio del borde del reflector es 2,7187 veces la longitud focal. El radio angular del borde, visto desde el punto focal, es 72,68 grados. [ cita requerida ]
Los canales parabólicos se utilizan para concentrar la luz solar con fines de energía solar. Se han construido algunas cocinas solares que los utilizan de la misma manera. [10] Generalmente, el canal está alineado con su línea focal horizontal y de este a oeste. Los alimentos que se van a cocinar se disponen a lo largo de esta línea. El canal está apuntado de modo que su eje de simetría apunte al Sol al mediodía. Esto requiere que el canal esté inclinado hacia arriba y hacia abajo a medida que avanzan las estaciones. En los equinoccios, no se necesita ningún movimiento del canal durante el día para seguir al Sol. [11] En otras épocas del año, hay un período de varias horas alrededor del mediodía cada día en el que no se necesita seguimiento solar. Por lo general, la cocina se utiliza solo 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 una sola curva, el reflector del canal es más sencillo de construir. Sin embargo, sufre de una menor eficiencia.
Es posible utilizar dos canales parabólicos, curvados en direcciones perpendiculares, para llevar la luz solar a un foco puntual, como lo hace un reflector paraboloide. [ cita requerida ] La luz entrante incide en uno de los canales, que la envía hacia un foco lineal. El segundo canal intercepta la luz convergente y la enfoca hacia un punto. [ cita requerida ]
En comparación con un único paraboloide, el uso de dos canales parciales presenta importantes ventajas. Cada canal es una única curva, que se puede realizar simplemente doblando una lámina plana de metal. Además, la luz que llega a la olla de cocción se dirige aproximadamente hacia abajo, lo que reduce el peligro de dañar los ojos de cualquier persona cercana. Por otro lado, existen desventajas. Se necesita más material de espejo, lo que aumenta el costo, 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 uno respecto del otro al estar ambos fijados a un marco. [ cita requerida ] Todo el conjunto de marco y canales debe moverse para seguir al sol a medida que se mueve en el cielo. Hay cocinas fabricadas comercialmente 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 forma 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 de concentración (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 del 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 un paraboloide con una longitud focal igual a la mitad del radio de curvatura. [12]
Las cocinas solares de tubo de vacío están selladas al vacío entre dos capas de vidrio. El vacío permite que el tubo actúe como un "super" invernadero y como aislante . El tubo de cocción central está hecho de vidrio de borosilicato, que es resistente al choque térmico, y tiene un 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 cocina solar con tubo utilizan un reflector para mejorar la captura de energía térmica. Hay modelos de sistemas de cocina con tubo 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 tubos de vacío pueden cocinar una comida en tan sólo 20 minutos. [13]
El Jewish World Watch , la fundación holandesa KoZon y Solar Cookers International han donado cartón, papel de aluminio y bolsas de plástico para más de 10.000 cocinas solares a los campos de refugiados de Iridimi y Touloum en Chad gracias a los esfuerzos combinados de la organización Jewish World Watch, la fundación holandesa KoZon y Solar Cookers International . Los refugiados construyen las cocinas ellos mismos, utilizando los suministros donados y goma arábiga comprada localmente . [18] También ha reducido significativamente la cantidad de tiempo que las mujeres pasan cuidando fogatas al aire libre cada día, con el resultado de que están más sanas y tienen más tiempo para cultivar verduras para sus familias y hacer artesanías para exportar. [18] En 2007, la 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 alimentos hasta en un 70 por ciento, reduciendo así el número de ataques. [ cita requerida ]
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