No anterior proxecto, realizado no curso 2009-2010, utilizaron uns elementos de unión bastantes sinxelos entre os que cabe salientar os parafusos, que suxeitaban toda a estrutura composta de metal.

No noso proxecto tivemos que utilizar un amplo ábano de elementos de unión, como a escuadra, os parafusos, os tirafondos, tirantes, etc…

Inicialmente construimos tirantes, para compensar os esforzos que soporta o reflector sobre as dúas columnas, que é o elemento básico de unión de todo o proxecto. Estes tirantes foron unidos as dúas columnas mediante simples parafusos aos que lles unimos un par de palomillas por se é necesario separar o tirante das columnas.

Coa estrutura de soporte lista para aguantar o peso de todos os espellos, procedimos a pensar na maneira que íbamos a inclinar os espellos para que todolos raios coincidisen no foco, a solución foi un par de escuadras. Estas escuadras foron unidas na base da estrutura dos espellos mediante cola e máis tirafondos, a continuación e para permitir que se incline, incorporáronselle uns parafusos con mariposas que se introducían nunhas muescas que se lle fixeron as columnas, permintindo así a libre inclinación dos espellos. Esa libre inclinación por parte da estrutura dos espellos non sería posible gracias a uns cilindros de madeira colocados nunhas “cunas” na parte superior das columnas, estos cilindros realizan dúas funcións importantísimas. A primeira é que son capaces de aguantar toda a estrutura dos espellos, pasando todo o seu peso a través das columnas, evitando así que rompa completamente. A segunda é a de facilitar que os espellos se inclinen con maior facilidade, e tamen lles reduce o traballo aos parafusos con palomilla que se encontran na muesca. Estos dous cilindros forman tamen un eixe imaxinario onde vai situado o foco. Os cilindros foron unidos as escuadras mediante cola e un par de tirafondos colocados no centro dos cilindros.

Construcción dunha das escuadras

Como podedes observar, na nosa estrutura foron utilizados un montón de elementos de unión simples (supostamente coñecidos), pero que son capaces de soportar unha gran cantidade de peso e durar moito tempo.

Montando o concentrador solar na estrutura

Una vez construido el concentrador solar, necesitamos una estructura que lo soporte y nos permita movernos entre los posible ángulos de trabajo con el concentrador en función de la estación del año.

Para construir la estructura de nuestro horno solar, se necesita dos tablones de 90 cm x 80 cm (fibra de madera de 1,6 cm de espesor) que después de posteriores cortes con la caladora y de ser limados con la escofina pasan a tener esta forma:

A 12 cm de cada lateral y a 14 cm desde la base y 36 cm desde la eje de arriba, recortamos una superficie de madera para aligerar el peso. Después de tener los dos tablones cortados y lijados preparamos las escuadras que posteriormente sostendrán la estructura de los espejos. Dichas escuadras van apoyadas en el eje superior de los tablones y fijadas con tuercas y palomillas a un corte previamente hecho a 30 cm del eje.

Las dos estructuras van unidas por un tablón de madera de 130 cm de largo para darle rigidez y estabilidad a la estructura. Para finalizar colocamos un tirante de 130 cm para evitar que pandee la estructura y así darle mayor rigidez y estabilidad a toda la estructura.

Cociña solar con concentrador parabólico tipo Fresnel

Como podemos ver en la imagen, necesitábamos adaptar a la estructura un nuevo soporte, sobre el cual queremos apoyar el objeto a calentar.

Para ello, el ingeniero de obra, Martín Pérez, dio la idea de que la estructura de soporte fuese aparte con respecto a la estructura de los espejos. Esta idea nos aportaba mobilidad y nos permitía aprovechar la incidencia de los rayos del sol (foco). La estructura nos ayuda a evitar posibles sombras que nos harían perder efectividad del horno solar.

Dicha estructura esta construida de madera de modo que pueda aguantar cierto, y para ello aumentamos la superficie de la base para dar mayor estabilidad.

Como se observa en la fotografía, el cristal templado, está incrustado en la parte superior de la estructura con dos soportes que lo sostienen.

Las escuadras superiores de la estructura tienen unos pequeños defectos que nos hacen perder rendimiento y modificaremos después de observar los problemas que esta presentaba ( daba sombra ).

Javier Ferro y Martín Pérez

Na cociña que construímos basándonos no modelo fresnel, tíñamos que diseñar unha superficie plana para soportar as estruturas dos espellos. A estrutura tiña que ser o máis lixeira posible, pero ao mesmo tempo resistente.

¿Cómo deseñamos a estrutura para que co máximo número de espellos e que, ao mesmo tempo, sexa lixeira? ¿Cómo distribuimos as ringleiras de espellos para que cumplan as nosas expectativas? ¿Qué material empregamos para que sexa lixeira e resistente?

Debido a que as ringleiras de espellos teñen que ter unha disposición radial optamos por unha circunferencia, aínda que posteriormente engadimos uns centímetros máis a cada lado para así poder colocar catro estruturas de espellos máis, que aumentarían a eficacia pero non o peso. A medida teórica dun raio completo é 62,7 cm aos cales lle aumentamos 24 cm a cada lado.

Para distribuir as ringleiras de espellos de forma que collan os máximos posibles non todas as estruturas deben ter a mesma medida. Estas son as que empregamos:

• 3 estruturas de 9 espellos
• 2 estruturas de 8 espellos
• 6 estruturas de 9 espellos
• 20 estruturas de 3 espellos
• 10 estruturas de 2 espellos

Taboleiro para o concentrador

As estructuras de espellos colocaranse nos raios debuxados sobre a tabla.  Non todos as estructuras teñen a mesma lonxitude, polo que cada grupo ten un lugar. Como podemos observar na imaxe anterior non todos os raios teñen a mesma medida.

Para fixar as estructuras ao taboleiro de forma permanente empregamos cola de contacto.

Pensando no material para a estrutura, tíñamos claro que deberíamos empregar madeira pero, ¿de que tipo?

Nós escollemos un taboleiro de fibra de madeira de 16 mm de espesor xa que, ademáis de resistente, é asequible e podemos traballar con ela no taller dunha forma fácil.

A verdade é que estamos comezando a obter bos resultados, seguiremos así.

Este traballo foi realizado por Óscar Picado, Lidia Cordo e Sara Ferreira.

Á hora de facer un concentrador solar fresnel, son moi importantes as medidas, a cantidade de espellos que debemos poñer e a súa inclinación para que teñamos o máximo rendemento da cociña e os materiais que debemos empregar. Pero un complemento importante e imprescindible para, ainda que poida pasar desapercibido,  é a estrutura ou soporte do reflector.

Cómo atopamos unha estrutura o suficientemente resistente como para que soporte todo o peso? Cómo conseguimos que esta nos permita mover  o concentrador sin que a posición do foco varíe? E cómo o combinamos todo para que sexa o máis portable posible?

Despois de presentar ideas sobre diferentes estruturas e materiais posibles, e analizalas posteriormente, nós resolvemos este problema dunha forma moi sinxela.

1. Para que ao mover o concentrador non nos varíe a posición do foco, estes, deben estar unidos, para esto empregaremos unha estrutura con forma de triángulo rectángulo que conteña os espellos na súa parte máis longa e que pola outra esté unida ao foco. Esta estrutura xirará en torno a un eixe situado na parte superior.
   2. O material que vamos a empregar será a fibra de madeira xa que, ademáis de ser resistente, é fácil de traballar e asequible. Tamén pensamos en traballar con algún metal, como o aceiro, debido a súa gran resistencia, pero decidimos empregar a fibra de madeira debido a que nos aporta moitas máis vantaxes a hora de traballar con ela.
   3. Para intentar alixeirar o peso prescindiremos de toda a madeira que nos sexa posible; no centro da estructura, que terá forma de cabalete, deixaremos un oco onde situaremos o concentrador e na base da nosa estrutura tamén sacaremos uns centímetros de madeira para crear os ps. Pero sempre asegurándonos de que sexa resistente.

Os deseño de traballo da estrutura  pódense apreciar nas seguintes imaxes:

Unha vez realizados os deseños e cálculos iniciais, comenzamos o proceso constructivo que consta de varias fases. Neste artigo explicaremos a construcción da estructura que soporta os espellos ao ángulo calculado previamente.

1. Deseño dos patróns:

Neste  proceso o primeiro paso foi a elaboración dos patróns creados co programa informático geogebra, donde se calculou a posición que deben ter os espellos na realidade.

Pegando os patróns

2. Construción dos soportes:

Logo de facer eso, o seguinte paso foi creación dos soportes de ditos espellos, estes soportes construíronse con láminas de cartón corrugado  e listóns de base rectangular.

2.1 Laterais dos soportes construídos con cartón corrugado a partir dos patróns

2.2 Unión dos lateriais construídos sobre un listón de madeira de base rectángular.

Logo de facer os soportes necesitábanse unha base para cada soporte. Esta construiuse mediante un listón no cal se pega un soporte a cada lado

Pegando espellos

3. Colocación dos espellos.

Posteriormente encima dos soportes  se colocan os espellos.

Pegando espellos

Presentamos o resultado na seguinte imaxe:

Ringleira de espellos

Despois de ter todas as ringleiras de espellos o seguinte paso será  a elaboración da estrutura onde serán colocados as ringleiras nas respectivas posicións.

Neste post ímosvos falar sobre as medidas e todo o relacionado sobre os espellos. A colocación dos espellos foi o primeiro paso na elaboración da cociña solar, dentro diso fixemos a recollida dos datos que foron obtidos polo alumnado de Debuxo Técnico. As medidas das estructuras que soportan os espellos son:

De 9 espellos:58 cm de longo, e 3 cm de ancho que posue a madeira.

De 8 espellos: 52,5 cm de longo, e 3 cm de ancho.

De 7 espellos: 47 cm de longo e 3 cm de ancho.

De 3 espello: 21.5 cm de longo e 3 cm de ancho.

De 2 espellos: 14 cm de longo e 3 cm de ancho.

O comezo do proxecto non habia espellos de 2 e 3 porque inicialmente contábase con estructuras de 5 espellos, pero viuse que o rendemento non era o mellor e que se optimizaba meténdollos de 2 e 3.

Os ángulos de ditos espellos son;

1º- 6,79º       2º- 11,21º   3º-15,46º      4º-18,85º           5º-22,22º        6º- 25, 08º      7º- 27,64º    8º-29,86º     9º- 31,89º

Estudo para a colocación dos espellos

Os alumnos de 1º de bacharelato do IES de Brión tentamos construir unha cociña solar basándonos nun concentrador solar tipo Fresnel. Decidimos elixir esta estructura tomando como referencia o modelo anterior dos alumnos de ciencias de 1º Bacharelato 2008-2009. Estes alumnos construiron unha cociña solar parabólica, para iso empregaron papel reflectante colocados sobre unha paraboloide, cun baixo rendemento debido aos materias empregados, aspecto que intenteramos mellorar da maneira máis eficaz.

Basándonos no proxecto realizado anteriormente no centro (a cociña solar parabólica) chegamos á conclusión de que debiamos disminuir o tamaño do reflector para que á hora de movelo sexa máis doado. Así como tamén, cambiar o papel reflectante por espellos.

Pretendemos reducir o espazo ocupado polo paraboloide a unha serie de elementos organizados sobre unha superficie plana, isto é debido a que queremos obter mais rendemento e facelo máis fácil de transportar. Obtamos por unha superfice plana cuberta de espellos distribuidos en eixes lineais de maneira radial. O sol incidirá de maneira perpendicular á superficie e os espellos reflectirán a luz concentrándoa. A unha distancia de 31,4 cm sobre o propio eixe dos paraboloides encóntrase o foco, neste lugar deberemos colocar o recipiente que precisemos quentar.

O reflector está formado por ringleiras de 2 a 9 espellos dependendo na zona de incidencia.

Deseño dunha serie de espellos (sección radial): Os espellos están colocados de modo tal que reflictan a luz que incide paralela ao eixe dos paraboloides tanxentes a eles hacia un punto , chamado foco. Cada un dos espellos deberá ter unha disposición diferente dependendo da distancia a que se encontre do centro do reflector.

A construción dunha serie radial de espellos se realiza empregando un patrón que primeiro imprimimos a escala natural que se recortaran para poder sorportar os espellos.

O cálculo da posición dos diferentes espellos foi realizado nun programa de xeometría dinámica denominado GeoGebra.

Os raios de luz que chegan a todos os espellos deben ir a un mesmo foco para concentrar alí o calor. Seguindo este sistema poidemos colocar aproximadamente 150 espellos.

O lugar onde queremos colocar a pota coincide co foco dos paraboloides tanxentes aos espellos, un punto donde se concentran todos os raios reflectidos polos centro dos espellos amplíase a unha pequena superficie máis ampla debido a luz reflexada en toda a superficie dos espellos.

A colocación dos espellos resultou laboriosa e complicada de determinar. Levounos moito tempo de traballo. Ao principio de todo tivemos problemas coa introducción destes, xa que, intentamos colocar os espellos de forma que o rendemento fora maior pero a súa vez ocupasen un espazo menor. Para iso, empregamos unha circunferencia na que en cada raio colleran 10 espellos. Neste momento do deseño, tivemos problemas debido a que non en todos os raios collían os 10 espellos, polo que a traves de bisectrices logramos colocar os espellos da mellor maneira posible.

O reflector sitúase sobre a estructura empregando un eixe de tal maneira que podamos inclinar e conseguir recibir a luz que incide con diferentes inclinacións nas diferentes estacións do ano.

Unha vez que temos o noso panel cos espellos, precisamos un soporte para poder orientalo cara o sol e que poida suxeitarse so. Para iso, empregamos dous trapecios unidos mediante uns listóns. Neste deseño tamén temos que intentar reducir o peso, polo que as partes que non realizaban ningunha función serán recortadas, deste xeito aliviarase moito o peso da cociña.

Comprobación do correcto funcionamento dos espellos

Este traballo foi realizado polo alumnado de debuxo técnico de !ª de Bach. Iván Villaverde, Lidia Cordo, Felix Nimo e Xulian Pintos.

Lo importante a la hora de montar la estructura es que los espejos estén colocados de forma que todos enfoquen (reflejen los rayos) a un mismo punto que llamaremos foco.

Para ello los espejos deberán ser colocados en un angulo de entre 30º y 80º , dependiendo de la zona en la que estén situados.

Estudo para a colocación dos espellos

Dependiendo de la hora y estación en la que nos encontremos, se pensó de forma adecuada, en que la estructura de los espejos se balancearan de forma que nos permitiese aprovechar lo máximo posible los rayos del sol.

Ángulo que forma la estructura de los espejos.

Prueba de incidencia de los rayos del sol.

Iniciamos o traballo buscando información. Ahí vai algunha proposta:

• Tecnología termosolar

O Sol é a principal fonte de enerxía da Terra. A través das reaccións termonucleares que se orixinan no seu interior, gran parte da enerxía liberada chega á terra en forma de ondas electromagnéticas. Soamente unha pequena parte desta enerxía chega á Terra, e unha porcentaxe de radiacións perxudiciais son reflectidas pola atmosfera. Esta intensidade solar redúcese considerablemente debido a diversos factores: gases na atmosfera, vapor de auga… Ademáis depende da latitude xeográfica, hora do día, estación do ano, situación atmosférica, etc.

A enerxía solar ten dous campos de aplicación fundamentais: conversión en enerxía eléctrica e transformación en calorífica. Nos imos a traballar na segunda, aínda que a efectos de estudo das formas dos dispositivos, nos interesen ambas. No cadro adxunto introducimos os dispositivos máis empregados para as transformacións:

A continuación presentamos imaxes dalgúns dispositivos analizados:

Aproveitamento pasivo da enerxía: Invernadoiros

Campo de helióstatos

Colectores solares

Forno solar de Odeillo

As temperaturas poden chegar a 4000ºC e emprégase para investigar o punto de fusión de materiais.

Pintura mural de Giulio Parigi, 1599

Conta Luciano de Samosata, que Arquímedes deseñou un dispositivo con espellos ustorios, capaz de facer arder os barcos que se achegasen as costas de Siracusa, e que o usou para queimar as naves romanas no sitio de Siracusa (213-211 a. C.).

Portada da edicion latina de Thesaurus opticus de Alhazen

Moi probablemente Arquímedes nunca deseñara semellante inxenio, pero o debate que provocou aventurar esta posibilidade chegou ate os nosos días e non foron poucas as veces que se intentou demostrar, senón a veracidade da anecdota, si a verosimilitude do procedemento.

Gravado de Athanasius Kircher. Forma parte dos seus estudos sobre o tema.

Na cuarta parte de Cabiria (Giovanni Pastrone, 1914) podemos observar o funcionamento do dispositivo, presuntamente deseñado por Arquímedes para queimar as naves romanas mediante luz concentrada por espellos convenientemente orientados.

Podedes ver un fragmento neste vídeo

Podedes ver tamén o experimento realizado en 2005 no MIT sen resultados concluintes.

No seguinte vídeo o profesor Romulo Mussel fala do raio de Arquímedes.

Os departamentos de Tecnoloxía e Debuxo do IES de Brión desenvolverán co alumnado de Tecnoloxía Industrial I e Debuxo Técnico I un proxecto de deseño e construción dunha cociña solar con concentrador parabólico Fresnel.

Este espazo estará adicado ao seguimento deste proxecto. Será unha ferramenta básica para reunir os documentos de referencia así como para amosar a evolución e as diferentes fases do traballo.