Anteriormente se ha visto las estufas solares tipo caja, un diseño particular dentro de estas se encuentra la estufa solar tipo caja con reflectores interiores.
La forma de aprovechar la energía térmica de la radiación solar es captar esa energía y dirigirla hacia un punto o área en donde se pueda absorber la mayor cantidad de la misma. Para dirigir esa energía se necesitan superficies reflectivas, es decir, superficies que reflejen la energía y la dirijan hacia un punto determinado dependiendo de las condiciones. Para ello se diseñó una estufa de tres pasos con reflectores interiores, descrita por El-Sebaii y Domanski y en donde se reportan resultados [4]. La forma de captar la energía reflejada es tener en el área a donde se dirigió la energía solar una superficie o recipiente mate, es decir sin reflexión, preferentemente de color negro, esto provoca que la superficie mate eleve su temperatura de forma proporcional a la radiación solar y al área de apertura o de captación de esa energía.
De acuerdo a la aplicación que tenga de la estufa solar o el propósito que se desee para tal será el diseño que se tenga, pero en general este tipo de estufa cumple con las distintas condiciones para los diferente procesos y resulta ser la más fácil de manejar. El principio de funcionamiento es una combinación de fenómenos principalmente la reflexión y absorción de la energía solar dentro del espectro visible, y el segundo término es crear un efecto invernadero.
La radiación solar directa y difusa ingresa al dispositivo por el área de apertura ingresando a través del cristal superior y los reflectores internos dirigen la radiación intentando enfocarla hacia una superficie o área determinada dentro de la caja en donde se encuentra el recipiente que es el que absorbe la energía manifestada en calor. Dependiendo de los reflectores que tenga y el ángulo que tenga respecto al sol será la cantidad de energía que reflejen. De acuerdo al número de reflectores será la diversidad de reflejos que se tengan, además los ángulos que tengan los reflectores serán factor de la cantidad de energía aprovechada.
El crear un efecto invernadero dentro de la estufa es un propósito que ayuda a elevar o mantener la temperatura más arriba que la temperatura ambiente. Considerando
salgan del sistema. Cuando la radiación solar pasa a través del material transparente en el rango de luz visible, rebota en los reflectores y parte de ella es absorbida por el recipiente. Al pasar las ondas de alta frecuencia por la superficie transparente se convierten en ondas de baja frecuencia provocando que el material transparente no permita la salida de dichas ondas atrapándolas y manifestándose en forma de calor dentro del sistema, por lo que transmite ese calor a la vasija o recipiente dentro de la estufa.
En el análisis de la cantidad de energía que recibe finalmente el fluido se deben considerar las pérdidas que el sistema tiene, esto es que de toda la cantidad de energía disponible que se tenga, cuanta es realmente aprovechada y cuanta se desperdicia y se va a los alrededores, y con esto obtener la eficiencia del sistema. La primera ley de la termodinámica indica que al haber un gradiente de temperatura existe la transferencia de calor, al aplicar esta ley al sistema podemos observar que la estufa es el sistema con una temperatura mayor a los alrededores, por lo tanto la transferencia de calor se efectúa utilizando los tres modos de transmisión calor: conducción, convección y radiación.
El caso de la conducción se presenta cuando están en contacto directo dos sólidos como medio de transporte para conducir el calor, se presenta principalmente cuando una superficie de un lado tiene una temperatura mayor que en el otro lado, pudiendo ser una pared compuesta de uno o más materiales. El calor comienza a fluir movido por la diferencia de temperatura y hace vibrar las moléculas haciendo que aumenten su temperatura, así unas moléculas mueven a las otras ocasionando el incremento de la temperatura. Aplicando lo anterior a la estufa solar, se puede ver que el calor que se encuentra en el interior de esta ganado de diferentes formas, al haber ese gradiente de temperatura, tiende a pasarse a la zona de menor temperatura por lo que va pasando las diferentes superficies de diversos materiales hasta llegar a los alrededores, ocasionando una pérdida del calor en el interior de la estufa. Esto ocurre en todas las direcciones de la estufa.
La convección ocurre cuando se tiene una diferencia de temperatura y hay contacto entre un fluido y una superficie sólida, en este caso las moléculas del sólido vibran por la temperatura y hacen vibrar a las del fluido, con lo que transfieren la temperatura de ésta forma. El aire dentro de la estufa, calentado por la radiación infrarroja transmite ese calor al recipiente y también a las paredes de la estufa, pudiendo ser los reflectores o el material transparente que cubre la estufa. Principalmente la pérdida de calor por convección en la estufa ocurre en la parte superior en donde se encuentra el material transparente y además en las paredes de la misma.
Cuando un cuerpo posee cierta temperatura, alcanzando una mayor a los alrededores, emiten una radiación electromagnética térmica cuyas características dependen de la temperatura a la que se encuentre este cuerpo y de sus propiedades ópticas. Así el sol radia una determinada cantidad de calor con determinadas propiedades muy diferente a las que tendría la tierra. Esa radiación que emite el cuerpo si llegase a incidir sobre algún otro cuerpo o superficie reflejaría, absorbería y/o transmitiría esa radiación dependiendo de las propiedades de esa superficie que recibió la radiación. Toda superpie al recibir alguna radiación térmica, en parte absorbe, parte la refleja y parte la transmite, entendiendo que la absorción es la cantidad de energía con la que se queda, la
reflexión es la cantidad de energía rechazada y la transmisión es la cantidad de energía que transmite.
De acuerdo a lo anterior es necesario que se tenga la mínima cantidad de energía perdida hacia los alrededores por cualquiera que sea el medio, por lo que se debe considerar la forma de cómo guardar la mayor cantidad de calor dentro de la estufa tomando las medidas necesarias. Los materiales que se usen deben ser los adecuados para las condiciones requeridas, se usan para soportar la estructura o armazón, otros materiales que sirvan en las paredes como aislante térmico y otro material que se utilice para la tapa que se transparente.
La estructura o marco de la estufa debe estar constituido debe ser resistente y que no se deforme fácilmente, además debe de ser liviano. Generalmente se usa madera o aglomerado de madera, mampostería, bambú, concreto, ladrillo, plástico, acrílico opaco, fibra de vidrio, palma, fibras vegetales, cartón, metal, etc. De acuerdo a la elección de estos materiales serán las características de la estufa o saber cual será su uso. Otro factor importante a considerar es que dependiendo del material será el costo de la estufa.
El material para aislar debe usarse para evitar que el calor se escape por las paredes de la estufa. Es importante mencionar que algunos materiales que se usan como estructura de la estufa tienen propiedades de aislante térmico. Se deben aislar las paredes y la parte inferior de la mejor forma posible y la elección del material depende de la temperatura a la que trabaja la estufa solar. Los materiales más comunes son la lana mineral, celulosa, lana natural, paja, papel, aislantes plásticos, aluminio, fibras vegetales, etc. Aquí también es importante observar que de acuerdo al material aislante que se elija, dependerá de las características aislantes y el costo de la estufa.
En la tapa o parte superior de la estufa se debe colocar un material transparente que permita la entrada de la radiación solar, este material debe ser lo mas cristalino posible. Se puede usar vidrio o algún material plástico. Es importante colocar este lado de la estufa lo más perpendicular posible a la posición del sol para captar la mayor cantidad de radiación solar.
Para evitar las pérdidas por convección en este lado de la estufa, se aconseja poner doble capa de material transparente con una separación entre las dos placas, con ello la estufa conserva mayor cantidad de calor en su interior, aunque se tiene la desventaja de tener menos ganancia de calor entre un 5 y 15%, aunque justifica porque se evitan las pérdidas de calor del interior al exterior.
Es importante mencionar que se debe evitar tener filtraciones hacia la estufa debido a que la humedad es un factor determinante para un buen o mal funcionamiento, pues si se tiene humedad en el interior de la estufa, se utilizaría la energía ganada para evaporar esa agua que se filtró, o por otra parte si se llegara a mojar el aislante no funciona correctamente y se tendrían más pérdidas por conducción y convección que
Cuando los alimentos se cocen, estos como contienen cierta cantidad de humedad al calentarse se evapora y se tiene humedad en el interior se requiere expulsarla al exterior por lo que debe tener algún orificio por donde salir. El diseño de las salidas de vapor depende mucho de las características de cada estufa, pueden ser salidas directas o por las paredes o tener un conducto para dicho propósito.
Se debe considerar que al aumentar la masa y peso de los materiales de la estufa, la estufa tardará más en calentar estos materiales. Cuando la estufa recibe el calor y se tienen estos materiales pesados el aire tarda más en calentarse, pero al alcanzar la temperatura máxima de la estufa, es decir, adquiere cierto equilibrio térmico entre la energía recibida, los materiales de la estufa y la masa del interior, el interior de la estufa mantendrá su temperatura máxima por un periodo mayor de tiempo incluso cuando llegara a cesar el flujo energía solar.