Parabolic basket and tin can solar cooker/es
El objetivo de este proyecto es crear una cocina solar a partir de especies invasoras locales y materiales de desecho . Queremos crear un dispositivo que pueda pasteurizar el agua y sea una alternativa al uso de combustibles fósiles para cocinar alimentos. Nuestros criterios para evaluar la idoneidad de la tecnología son: uso de materiales locales, eficiencia, durabilidad, facilidad de uso, facilidad de construcción, costo, impacto ambiental, impacto en la cultura/estilo de vida, y la formación o experiencia necesaria para la construcción.
En general, este fue un proyecto exitoso. Logramos nuestro objetivo de pasteurizar agua. La canasta solar puede pasteurizar agua en un recipiente de un cuarto de galón en aproximadamente una hora en condiciones óptimas. Si desarrolláramos la versión 2.0 de la canasta solar, estos son algunos cambios que haríamos:
- Duplica los estolones de mora para que las costillas de la canasta sean más fuertes.
- Utilice otro material en lugar de pasto de pampas porque provoca grumos en la superficie de la canasta, tal vez algo más suave.
- Utilice todas las tapas de latas grandes, de la calidad más brillante.
- Construya los anillos que sostienen la forma parabólica con un material menos flexible que el aluminio y el alambre que encontramos.
Coordinador del proyecto: Bart Orlando
Estudiantes de ingeniería: Ginger Fletcher-Santillan y Ana Kolpin
Revisión de la literatura
Investigación general sobre cocinas solares parabólicas
Las cocinas solares parabólicas son dispositivos para preparar alimentos que no requieren combustible . Concentran los rayos del sol en un punto focal donde se puede usar una olla o sartén oscura para cocinar. El uso de una cocina solar tiene muchas ventajas y desventajas . Algunas de ellas son: se pueden usar en lugares con escasez de combustible, no contaminan, el exterior de la forma parabólica no se calienta, se pueden fabricar con materiales reciclados y locales , y su funcionamiento es económico. Algunas desventajas son: el área para cocinar solo tiene espacio para una olla, solo se puede cocinar en días soleados, el tiempo de cocción puede ser mayor que con una estufa u horno convencional, y puede ser necesario reorientar la cocina según cambia el sol. (Grupo de Trabajo sobre Técnicas de Desarrollo, 1990)
Dado que las cocinas solares parabólicas no requieren combustible, se están experimentando en muchos países en desarrollo como alternativa y complemento a la cocina con fuego. En India, se realizó un estudio para evaluar la utilidad de las cocinas solares parabólicas en el hogar. Los criterios de evaluación incluyeron la facilidad de uso, el costo inicial, la necesidad de capacitación, la estética y la seguridad general. La conclusión general del estudio fue que la cocina solar parabólica tiene una utilidad bastante alta, pero para su comercialización, "se debe mejorar su utilidad en términos técnicos, de comportamiento y comerciales" (Pohekar, Ramachandran 2006).
Según Solar Cooker Review , un hombre en Vietnam ha comenzado a producir cocinas solares hechas con cestas locales. Las cocinas consisten en un recipiente aislado dentro de una cesta hecha con materiales locales. Estas cocinas solares son ideales para las provincias del centro y norte de Vietnam, que reciben entre 2000 y 3000 horas de luz solar al año (Solar Cooker Review, 2000).
Parábolas y paraboloides
La parábola tridimensional, el paraboloide, es la forma más eficiente para las cocinas solares. A diferencia de los hornos solares de caja, la forma parabólica tiene un punto focal central donde la luz que incide en sus paredes se refleja. Gracias a la luz solar, el calor, junto con la luz, se refleja en ese punto focal y calienta el área. El recipiente para cocinar debe ubicarse en el punto focal para aprovechar al máximo el calor.
Siendo la ecuación general de una parábola:
y=incógnita2,
El punto focal se puede encontrar tomando un punto en la curva, (x, y) y poniéndolo en la ecuación:
a=incógnita2/4y,
con la variable a como foco (Stein, 1999).
Mora del Himalaya
La estructura de la cocina solar parabólica se fabricará con los tallos de la zarzamora del Himalaya, una especie invasora local. Los tallos se cosecharán y desespinarán para tejerlos en forma de cesta parabólica.
La zarzamora del Himalaya, Rubus procerus, es una planta perenne que llegó a Estados Unidos desde Europa a principios de los años noventa (Everett, 1981). Presenta un vigoroso patrón de crecimiento rastrero y está muy espinosa. Dado que las cañas se cosechan durante los meses de invierno, estarán secas, más robustas y fáciles de desespinar y manejar. Las cañas de la zarzamora del Himalaya forman curvas parabólicas, por lo que al secarse y endurecerse, mantienen la robusta forma parabólica de la cesta (Figura 1).
Fig. 1: Caña de mora del Himalaya
Figura 2: Marisma de Arcata
Fig 3: ¡Moras parabólicas!
Fig. 4: Otra planta de mora
Aunque las zarzamoras no soportan climas extremos y crecen principalmente durante la primavera (Whatcom), la zarzamora del Himalaya tiene un rápido crecimiento de entre 6 y 15 metros por temporada (Bailey, 1961), lo que provoca su propagación y la ocupación de áreas. La zarzamora del Himalaya es una especie invasora no autóctona del condado de Humboldt, y el gobierno estatal de California ha financiado su eliminación en parques regionales y estatales (Departamento de Parques y Recreación de California, 2005), por lo que su recolección para la canasta no tendrá un impacto ambiental negativo en la zona.
El tiempo en el condado de Humboldt
La cantidad de días despejados en el condado de Humboldt es el principal inconveniente para la cocina solar local. Eureka tiene alrededor de 78 días completamente despejados al año, con la mayor cantidad durante septiembre y octubre, y un promedio mensual de 6.5 días despejados (Centro Climático Regional Occidental). Aunque la mayoría de los días no son completamente despejados, hay días parcialmente nublados donde el cielo se despeja lo suficiente como para cocinar algo entre el mediodía y las primeras horas de la tarde.
Diseño
Materiales y herramientas
Fig 2: Cesta y materiales
Fig. 3: Hierba de la pampa
Fig 4: Tapas de latas
Fig. 5: Cámaras de aire de bicicleta
- Vides de mora
- Hierba de la pampa
- Cámaras de aire de bicicleta usadas
- cordel de cáñamo
- Varillas finas de aluminio
- Cable
- tapas de latas
- cortadores de alambre
- Guantes
- Uña gruesa
- Martillo
- abrelatas
- Tijeras
- Cuchillo multiusos
- Cámara de aire grande
Construcción
Forma y estructura
Para determinar la forma de nuestra cocina solar, decidimos que la curva de la parábola pasara por el punto (2,2) y que el vértice de la cesta, el borde superior, tuviera un diámetro de aproximadamente 1,5 metros. Para hallar la ecuación de la parábola que pasaría por ese punto, necesitábamos calcular el coeficiente, a, de la ecuación parabólica general.
y=aincógnita2
Para encontrar el coeficiente a, usamos la ecuación
a=y/incógnita2
y reemplazó la x y la y con el punto (2,2)
a=2/22
lo cual nos dio
a=.5
Con el valor del coeficiente, pudimos entonces insertar diferentes valores de x en la ecuación.
y=.5incógnita2
y encuentra los valores y correspondientes.
| incógnita | y |
|---|---|
| .5 | .125 |
| 1 | .5 |
| 1.5 | 1.125 |
| 2 | 2 |
| 2.5 | 3.125 |
Trazamos esos puntos en nuestro eje de coordenadas y dibujamos una línea a través de ellos para obtener la curva parabólica que queríamos.
Usando esa curva, le dimos forma a las vides de mora para que se ajustaran a esa parábola y atamos una cuerda de un lado de la vide de mora curva al otro para restringir la forma parabólica.
Para crear la forma parabólica tridimensional, el paraboloide, unimos los vértices (el punto central inferior) de las zarzamoras con una cámara de bicicleta usada. Dado que la cámara funcionaba tan bien para mantener unidas las zarzamoras, pensamos que sería útil tejer la mayor parte de la cesta de esa manera. Sin embargo, al comenzar, la cámara ejerció demasiada fuerza sobre las zarzamoras y las desvió de la forma parabólica.
Fig. 3: amarre de vértice
Fig. 4: Comprobación de dimensiones
Fig. 5: Comprobación de dimensiones
Fig. 6: tubo interior
Fig. 7: Realización de ajustes
Fig. 8: Realización de ajustes
Como notamos que cuanto más apretado era el tejido, más se deformaban las enredaderas, decidimos que necesitábamos anillos grandes colocados en ciertos puntos por encima del vértice para dar soporte a la estructura y evitar que se deformara. Al principio, aros de hula hula de diferentes tamaños nos parecieron una buena idea, y podrían haber funcionado, pero no queríamos comprar nuevos ni encontramos ninguno usado. Luego fuimos a la chatarrería en busca de algo que pudiéramos usar y encontramos varillas de aluminio largas y ligeras, perfectas para moldear anillos de cualquier tamaño. Junto con las varillas, hicimos un par de anillos de alambre grueso para mayor soporte.
Fig. 9: Doblado de varillas de metal para formar aros
Fig. 10: Varillas de flexión
Fig. 11: Varillas de flexión
Fig. 10: Fijación de los aros de soporte
Tejido
Después de sujetar las varillas metálicas y el alambre a las zarzamoras, pensamos que ya estábamos listos para tejer la hierba de la pampa entre ellas, pero pronto nos dimos cuenta de que los espacios entre ellas estaban demasiado separados para crear un buen tejido. Para solucionarlo, atamos tramos de cámara de bicicleta desde el aro superior de la cesta hasta el vértice, entre cada zarzamora. Esos espacios adicionales que creamos para tejer la hierba nos ayudaron mucho, pero seguía siendo un proceso lento, ya que solo tejíamos una brizna a la vez. Tras varios intentos, descubrimos que podíamos tejer puñados de hierba de la pampa a la vez con la misma facilidad, así que así terminamos de tejer nuestra cocina solar parabólica.
Fig. 10: Tejiendo hierba de la pampa
Fig. 11: Tejido de cerca
Fig. 12: Tejido de hierba de la pampa
Fig. 13: Cocina parabólica completamente tejida con pasto de las pampas
Superficie reflectante
Para dotar a la cocina parabólica de la superficie reflectante necesaria , reunimos unas 300 tapas de latas para forrar el interior de la cesta. Perforamos las tapas para poder unirlas en hileras de 8 a 10 tapas cada una. Luego, atamos estas tapas a la cesta con hilo de cáñamo o bridas. Como aún quedaban muchos espacios sin cubrir, reunimos varias tapas grandes y las sujetamos individualmente a la cesta.
Fig. 14: Cuerda de la tapa de la lata
Fig. 15: Colocación de las tapas de las latas
Fig. 16: Colocación de las tapas de las latas
Fig. 17: Más tapas de latas
Pruebas
Para probar nuestra cocina solar parabólica, primero tuvimos que estimar la ubicación aproximada del punto focal dentro de la cesta. Descubrimos que la mayor parte de la luz se refleja hacia el centro, a unos 30-45 cm por encima del vértice. Dado que la forma de nuestra cesta no es perfectamente lisa ni parabólica, el foco es impreciso y se concentra en un área general en lugar de en un punto específico.
En nuestra primera prueba, pintamos un frasco de pepinillos de un galón con pintura negra para absorber la mayor cantidad de luz posible y lo llenamos de agua. Al colocar el frasco en la cocina parabólica, lo apuntalamos con un recipiente para que quedara en el área focal. Además, creamos una cámara de aire a su alrededor, lo que permitió que se calentara más rápido y lo protegiera del viento frío, colocando una bolsa de plástico transparente sobre el frasco. Tuvimos el frasco instalado durante casi dos horas, desde las 3:00 p. m. aproximadamente. Al terminar, el agua del frasco estaba tibia.
La siguiente vez que probamos la olla, usamos un frasco de un cuarto de galón pintado de negro y creamos una cámara de aire colocando encima un frasco transparente de pepinillos. Ese día, instalamos el frasco a las 11:20 a. m. en un día cálido y soleado sin viento. Después de una hora, el agua del frasco empezó a burbujear, lo que significa que superamos la temperatura de pasteurización. Después de aproximadamente dos horas y media, el agua del frasco de un cuarto de galón estaba hirviendo a borbotones. Esta segunda instalación fue más exitosa, ya que teníamos una mejor manera de crear la cámara de aire, un frasco más pequeño y condiciones climáticas óptimas.
Conclusión
En general, este fue un proyecto exitoso. Logramos nuestro objetivo de pasteurizar agua. La cesta solar puede pasteurizar agua en un recipiente de un cuarto de galón en aproximadamente una hora en condiciones óptimas. En nuestra primera demostración, intentamos hornear pan colocando la masa en la lata negra que usamos como pedestal. El pan se horneó parcialmente. Creemos que el dispositivo horneará el pan completamente colocando la masa cerca de la parte superior del interior de la lata, en lugar de en la base. Además, si la lata se pudiera colocar en un recipiente concéntrico y transparente como el que contiene el recipiente negro, logramos preparar arroz integral en el recipiente negro. El dispositivo cumple con la mayoría de nuestros criterios de idoneidad: utiliza materiales de desecho y locales, no tiene un impacto negativo en el medio ambiente, es económico de construir y fácil de usar. Sin embargo, la recolección de los materiales y la construcción requieren tiempo, y no es muy eficiente debido a que las tapas de las latas no tienen un acabado de espejo ni una forma parabólica perfecta. Definitivamente, tomaría algún tiempo adaptar tu estilo de vida para tener en cuenta el tiempo que tarda en calentarse el agua en la cesta solar. Si la cesta solar te proporcionaba tu único medio de agua potable, sería muy importante planificar con antelación. Este primer intento de crear una cesta solar podría no resultar muy duradero. Las tapas de las latas se oxidaban en dos meses en nuestro entorno costero. Sin embargo, esto podría no ser un problema en un entorno desértico. Quizás las latas que contienen suministros para los refugiados podrían estar hechas de metal pulido que no se oxida. La cesta es resistente, pero las bandas de aluminio son flexibles y pueden deformarse con el tiempo. Las nervaduras de la cesta son solo tramos de estolón de mora y pueden agrietarse o romperse. No se necesita mucha formación para construir esta cesta, pero sería importante tener cierta familiaridad con las parábolas. Usamos algo de álgebra y cálculo, y la capacidad de usar ecuaciones matemáticas ayuda mucho a crear plantillas para la forma general correcta de la cesta y a limitar los diámetros de las bandas.
Lo que haríamos diferente
Si hiciéramos la versión 2.0 de la cesta solar aquí hay algunos cambios que haríamos:
- Duplica los estolones de mora para que las costillas de la canasta sean más fuertes.
- Utilice otro material en lugar de pasto de pampas porque provoca grumos en la superficie de la canasta, tal vez algo más suave.
- Utilice todas las tapas de latas grandes, de la calidad más brillante.
- Construya los anillos que sostienen la forma parabólica con un material menos flexible que el aluminio y el alambre que encontramos.
