Солнечная плита

Параболическая солнечная плита

— Солнечная плита это устройство, которое использует энергию прямых солнечных лучей для нагрева, приготовления или пастеризации напитков и других пищевых продуктов. Многие используемые в настоящее время солнечные плиты представляют собой относительно недорогие и низкотехнологичные устройства, хотя некоторые из них столь же мощны или столь же дороги, как и традиционные печи. а современные, крупногабаритные солнечные плиты могут приготовить еду для сотен человек. Поскольку они не используют топливо и ничего не требуют в эксплуатации, многие некоммерческие организации продвигают их использование по всему миру, чтобы помочь снизить затраты на топливо и загрязнение воздуха, а также замедлить вырубку лесов и опустынивание .

История

Индийский учёный демонстрирует солнечную плиту, 1963 год.

В древние времена считалось, что использование солнечной энергии существовало в цивилизациях греков , римлян и китайцев , но не для приготовления пищи.

Первое академическое описание принципов солнечной плиты было сделано швейцарским геологом, метеорологом, физиком и исследователем Альп Горацием-Бенедиктом де Соссюром в 1767 году . Принцип приготовления блюд на солнечном свете был широко разработан во Французском Иностранном легионе в 1870-х годах.

Принципы работы

Зеркальная поверхность с высоким зеркальным отражением используется для концентрации солнечного света на небольшой зоне приготовления пищи. В зависимости от геометрии поверхности солнечный свет может быть сконцентрирован на несколько порядков, создавая температуры, достаточно высокие, чтобы расплавить соль и металл. Такие высокие температуры на самом деле не требуются для большинства бытовых целей, связанных с приготовлением пищи на солнечной энергии. Продукты для приготовления пищи на солнечной энергии обычно рассчитаны на достижение температуры от 65 ° C (150 ° F) (температура выпекания) до 400 ° C (750 ° F) (температура гриля / обжаривания) в солнечный день.

Эта световая энергия затем преобразуется в тепловую энергию. Солнечные плиты концентрируют солнечный свет на приемнике, например на сковороде. Взаимодействие между световой энергией и материалом приемника преобразует свет в тепло, и это называется поглощением. Преобразование максимизируется за счет использования материалов, которые поглощают, проводят и сохраняют тепло. Кастрюли и сковородки, используемые на солнечных плитах, должны быть матово-черного цвета, чтобы обеспечить максимальное поглощение тепла.

Важно улавливать тепловую энергию и уменьшать конвекцию , изолируя воздух внутри плиты от воздуха снаружи плиты. Простое накрытие кастрюли стеклянной крышкой увеличивает поглощение света сверху кастрюли и создает парниковый эффект , который улучшает сохранение тепла и минимизирует потери из-за конвекции . Это «остекление» пропускает падающий видимый солнечный свет, но непроницаемо для инфракрасного теплового излучения. В условиях ограниченных ресурсов высокотемпературный пластиковый пакет может выполнять аналогичную функцию, удерживая воздух внутри и позволяя достигать температуры в холодные и ветреные дни, аналогичной той, которая возможна в жаркие дни.

Операция

В разных типах солнечных плит используются несколько разные методы приготовления, но большинство из них следуют одним и тем же основным принципам.

Еда готовится как на духовке или плите. Однако, поскольку пища готовится быстрее, если она состоит из более мелких кусочков, пищу, помещенную в солнечную плиту, обычно разрезают на более мелкие кусочки, чем в противном случае. Например, картофель обычно нарезают небольшими кусочками, а не жарят целиком. Для очень простого приготовления, например, для растапливания масла или сыра, крышка может не понадобиться, и пищу можно положить на открытый поднос или в миску. Если несколько продуктов предстоит готовить отдельно, то их кладут в разные емкости.

Контейнер с едой помещается внутрь солнечной плиты, которую можно приподнять на кирпиче, камне, металлической подставке или другом радиаторе , а солнечную плиту помещают под прямые солнечные лучи. Блюда, которые готовятся быстро, можно добавить в солнечную плиту позже. Рис для полдника можно начинать готовить рано утром, а овощи, сыр или суп добавлять в солнечную плиту в середине утра. В зависимости от размера солнечной плиты, а также количества и количества приготовленной пищи, семья может использовать одну или несколько солнечных плит.

Солнечную печь поворачивают к Солнцу и оставляют до тех пор, пока еда не приготовится. В отличие от приготовления пищи на плите или на огне, для которой может потребоваться более часа постоянного наблюдения, пищу в солнечной печи обычно не перемешивают и не переворачивают, как потому, что в этом нет необходимости, так и потому, что открытие солнечной печи позволяет удерживаемому теплу убегают и тем самым замедляют процесс приготовления. При желании солнечную печь можно проверять каждые один-два часа, чтобы точнее повернуть ее лицом к Солнцу и убедиться, что тени от близлежащих зданий или растений не блокируют солнечный свет. Если еду приходится оставлять без присмотра на много часов в течение дня, то солнечную печь часто поворачивают лицом к той точке, где будет находиться Солнце, когда оно будет находиться выше всего на небе, а не к его текущему положению.

Время приготовления зависит в первую очередь от используемого оборудования, количества солнечного света в данный момент и количества продуктов, которые необходимо приготовить. Температура воздуха, ветер и широта также влияют на производительность. Еда готовится быстрее за два часа до и после местного солнечного полудня, чем ранним утром или ближе к вечеру. Большое количество продуктов и продукты, разделенные на большие куски, требуют больше времени для приготовления. В результате можно дать только общие цифры времени приготовления. С помощью небольшой плиты на солнечных батареях можно растопить масло за 15 минут, испечь печенье за ​​2 часа и приготовить рис для четырех человек за 4 часа. С высокопроизводительной параболической солнечной плитой вы сможете приготовить стейк на гриле за считанные минуты. Однако, в зависимости от местных условий и типа солнечной плиты, эти проекты могут занять вдвое или вдвое больше времени.

В солнечной плите трудно поджечь еду. Еда, приготовленная даже на час дольше, чем необходимо, обычно неотличима от минимально приготовленной. Исключением из этого правила являются некоторые зеленые овощи, цвет которых быстро меняет цвет с идеально приготовленного ярко-зеленого на оливково-серый , сохраняя при этом желаемую текстуру.

Что касается большинства продуктов, таких как рис, обычный человек не сможет сказать, как они были приготовлены, глядя на конечный продукт. Однако есть некоторые различия: хлеб и пирожные подрумяниваются сверху, а не снизу. По сравнению с приготовлением на огне, еда не имеет привкуса дыма.

Конструкции коробок и панелей

• 
  Панельная солнечная плита HotPot
• 
  Солнечная печь в использовании
• 
  Солнечная печь из картона.

Ящичная плита имеет прозрачную стеклянную или пластиковую крышку и может иметь дополнительные отражатели для концентрации солнечного света в коробке. Верх обычно можно снять, чтобы можно было поставить внутрь темные кастрюли с едой. Можно расположить один или несколько отражателей из блестящего металла или материала с фольгой, чтобы отражать дополнительный свет внутрь камеры печи. Емкости для приготовления пищи и внутреннее дно скороварки должны быть темного или черного цвета. Внутренние стены должны быть отражающими, чтобы уменьшить потери тепла на излучение и отражать свет в сторону кастрюль и темного дна, соприкасающегося с кастрюлями. Коробка должна иметь изолированные стенки. Теплоизоляция для плиты с солнечным ящиком должна выдерживать температуру до 150 °C (300 °F) без плавления и выделения газов. Для утепления стенок плиты можно использовать скомканную газету, шерсть, тряпки, сухую траву, листы картона и т. д. Металлические горшки и/или нижние поддоны можно затемнить либо черной аэрозольной краской (нетоксичной при нагревании), либо черной краской. темперная краска или копоть от костра. Плита с солнечным ящиком обычно достигает температуры 150 ° C (300 ° F). Она не такая горячая, как в стандартной духовке, но все же достаточно горячая, чтобы готовить еду в течение более длительного периода времени.

Панельные солнечные плиты — это недорогие солнечные плиты, в которых используются отражающие панели, которые направляют солнечный свет на кастрюлю, заключенную в прозрачный пластиковый пакет.

Научные эксперименты с солнечной печью регулярно проводятся в рамках проектов в средних школах и колледжах, например, «Сброс солнечной печи» в Университете Аризоны . Эти проекты доказывают, что можно как достичь высоких температур, так и предсказать их с помощью математических моделей.

Параболические или параболоидные отражатели

Основная статья: параболический отражатель

• 
  Параболическая солнечная плита.
• 
  Параболическая солнечная плита, используемая для приготовления паэльи .
• 
  Солнечный чайник в Тибете
• 
  Солнечная плита в сельской Уганде

Параболические солнечные плиты концентрируют солнечный свет в одной точке. Когда эта точка сосредоточена на дне кастрюли, она может быстро нагреть кастрюлю до очень высоких температур, которые часто можно сравнить с температурами, достигаемыми на газовых или угольных грилях. Эти типы солнечных плит широко используются в нескольких регионах мира, особенно в Китае и Индии, где сотни тысяч семей в настоящее время используют параболические солнечные плиты для приготовления пищи и нагрева воды. Некоторые проекты параболических солнечных плит в Китае сокращают выбросы углекислого газа на 1–4 тонны в год и получают углеродные кредиты через Механизм чистого развития (CDM) и Золотой стандарт .

Если отражатель осесимметричен и имеет форму параболы , он обладает свойством фокусировать параллельные лучи света (например, солнечного света) в точку . Если ось симметрии направлена ​​на Солнце, любой объект, находящийся в фокусе, получает высококонцентрированный солнечный свет и поэтому становится очень горячим. Это является основанием для использования такого рода рефлектора для приготовления пищи на солнечной энергии.

Параболоиды представляют собой сложные кривые , которые сложнее изготовить с помощью простого оборудования, чем одиночные кривые . Хотя параболоидные солнечные плиты могут готовить так же хорошо или даже лучше, чем обычные печи, их сложно построить вручную. Часто эти отражатели состоят из множества небольших сегментов, которые представляют собой отдельные кривые, которые вместе аппроксимируют сложные кривые.

Хотя параболоиды сложно сделать из плоских листов твердого материала, их можно сделать довольно просто, вращая контейнеры с открытым верхом, содержащие жидкости. Верхняя поверхность жидкости, вращающейся с постоянной скоростью вокруг вертикальной оси, естественным образом принимает форму параболоида. Центробежная сила заставляет материал двигаться наружу от оси вращения до тех пор, пока на поверхности не образуется достаточно глубокая депрессия, чтобы сила могла быть уравновешена выравнивающим эффектом гравитации. Оказывается, депрессия представляет собой точный параболоид. (См. Телескоп с жидкостным зеркалом .) Если материал затвердевает во время вращения, параболоидная форма сохраняется после остановки вращения, и его можно использовать для изготовления отражателя. Этот метод вращения иногда используется для изготовления параболоидных зеркал для астрономических телескопов, а также для солнечных плит. Устройства для построения таких параболоидов известны как вращающиеся печи .

Параболоидные отражатели создают высокие температуры и быстро готовятся, но для безопасной работы требуют частой регулировки и контроля. Существует несколько сотен тысяч, в основном в Китае. Они особенно полезны для индивидуального домашнего и крупномасштабного приготовления пищи в учреждениях.

Шеффлеровская плита. Этот отражатель имеет площадь 16 м2. ² (170 кв. футов) и концентрирует 3 кВт тепла

В плите Шеффлера (названной в честь ее изобретателя Вольфганга Шеффлера ) используется большой идеально параболоидный отражатель, который вращается вокруг оси, параллельной оси Земли, с помощью механического механизма, поворачивающегося со скоростью 15 градусов в час, чтобы компенсировать вращение Земли. Ось проходит через центр масс отражателя, что позволяет легко поворачивать отражатель. Посуда для приготовления пищи расположена в фокусе, который находится на оси вращения, поэтому зеркало весь день концентрирует на ней солнечный свет. Солнца Зеркало приходится время от времени наклонять вокруг перпендикулярной оси, чтобы компенсировать сезонные изменения склонения . Эта перпендикулярная ось не проходит через емкость для приготовления пищи. Следовательно, если бы рефлектор был жестким параболоидом, его фокус не оставался бы неподвижным на емкости для приготовления пищи при наклоне рефлектора. Чтобы фокус оставался неподвижным, форма отражателя должна меняться. Он остается параболоидом, но его фокусное расстояние и другие параметры изменяются при наклоне. Таким образом, отражатель Шеффлера является гибким и может быть согнут, чтобы изменить его форму. Он часто состоит из большого количества небольших плоских секций, таких как стеклянные зеркала, соединенных гибким пластиком. Каркас, поддерживающий отражатель, включает в себя механизм, который можно использовать для его наклона, а также для его соответствующего изгиба. Зеркало никогда не бывает в точности параболоидным, но оно всегда достаточно близко для приготовления пищи.

Иногда вращающийся отражатель располагается на открытом воздухе, и отраженный солнечный свет проходит через отверстие в стене на внутреннюю кухню, часто большую общую, где готовят.

Косая проекция фокусно-сбалансированного параболического отражателя.

Полезны параболоидные отражатели, центры масс которых совпадают с фокальными точками. Их можно легко повернуть, чтобы следить за движением Солнца по небу, вращаясь вокруг любой оси, проходящей через фокус. Можно использовать две перпендикулярные оси, пересекающиеся в фокусе, чтобы позволить параболоиду следовать как за дневным, так и за сезонным движением Солнца. Кастрюля остается неподвижной в фокусе. Если параболоидный отражатель осесимметричен и изготовлен из материала одинаковой толщины, его центр масс совпадает с его фокусом, если глубина отражателя, измеренная вдоль его оси симметрии от вершины до плоскости обода, равна 1,8478 раза. его фокусное расстояние. Радиус обода рефлектора в 2,7187 раза больше фокусного расстояния. Угловой радиус обода, если смотреть из фокуса, составляет 72,68 градуса.

Параболические впадины

Параболические желоба используются для концентрации солнечного света в целях получения солнечной энергии. Было построено несколько солнечных плит, которые используют их таким же образом. Как правило, желоб ориентирован по горизонтали и направлен с востока на запад. По этой линии располагаются продукты, подлежащие приготовлению. Впадина заострена так, что ее ось симметрии направлена ​​на Солнце в полдень. Для этого корыто необходимо наклонять вверх и вниз в зависимости от сезона. В дни равноденствий для отслеживания Солнца не требуется никаких движений впадины в течение дня. В другое время года около полудня каждый день бывает период в несколько часов, когда отслеживание не требуется. Обычно плита используется только в этот период, поэтому автоматическое слежение за солнцем в ней не предусмотрено. Эта простота делает конструкцию привлекательной по сравнению с использованием параболоида. Кроме того, поскольку желобчатый отражатель представляет собой одну кривую , его проще сконструировать. Однако он страдает от более низкой эффективности.

Можно использовать два параболических желоба, изогнутых в перпендикулярных направлениях, чтобы сфокусировать солнечный свет в точке, как это делает параболоидный отражатель. Входящий свет попадает на один из впадин и направляет его в сторону линейного фокуса. Второй желоб перехватывает сходящийся свет и фокусирует его в точку.

По сравнению с одним параболоидом использование двух частичных желобов имеет важные преимущества. Каждое корыто представляет собой единую кривую , которую можно сделать, просто согнув плоский лист металла. Кроме того, свет, попадающий на целевую кастрюлю, направлен примерно вниз, что снижает опасность повреждения глаз находящихся рядом людей. С другой стороны, есть и недостатки. Требуется больше зеркального материала, что увеличивает стоимость, а свет отражается двумя поверхностями вместо одной, что неизбежно увеличивает потери.

Два желоба удерживаются в фиксированной ориентации относительно друг друга, будучи прикреплены к раме. Всю сборку рамы и кормушек необходимо перемещать, чтобы отслеживать движение солнца по небу. Доступны коммерческие плиты, использующие этот метод. В практическом применении (например, в автомобильных фарах) вогнутые зеркала имеют параболическую форму.

Сферические отражатели

Солнечная чаша в Ауровиле , Индия.

Сферические отражатели действуют так же, как параболоидные отражатели: ось симметрии направлена ​​​​к Солнцу, поэтому солнечный свет концентрируется в фокусе. Однако фокус сферического отражателя не будет точечным, поскольку он страдает от явления, известного как сферическая аберрация . Некоторые концентрирующие антенны (например, спутниковые антенны), не требующие точной фокусировки, выбирают сферическую кривизну параболоида. Если радиус обода сферического отражателя мал по сравнению с радиусом кривизны его поверхности (радиусом сферы, частью которой является отражатель), то отражатель приближается к параболоиду с фокусным расстоянием, равным половине радиуса. кривизны.

Технология вакуумных ламп

• 
  Солнечная вакуумная трубчатая плита
• 
  Профессиональная солнечная печь
• 
  Солнечная печь со стеклянной трубкой для приготовления хлеба
• 
  Солнечная плита с вакуумной стеклянной трубкой

Солнечные плиты с вакуумными трубками по существу герметично запечатаны между двумя слоями стекла. Вакуум позволяет трубке действовать как «супер» теплица и изолятор . Центральная трубка для приготовления пищи изготовлена ​​из боросиликатного стекла, устойчивого к тепловому удару, а под поверхностью имеется вакуум для изоляции внутренней части. Внутренняя часть трубки покрыта медью, нержавеющей сталью и нитрилом алюминия для лучшего поглощения и проведения тепла от солнечных лучей. В системах с солнечными трубками для приготовления пищи используется отражатель для улучшения улавливания тепловой энергии. В Индии существуют модели трубчатых систем приготовления пищи, в которых в нижней части трубки установлены накопители энергии для накопления тепла для приготовления или разогрева пищи в ночное время.

Эти вакуумные солнечные плиты могут приготовить еду всего за 20 минут.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокопроизводительные параболические солнечные плиты и плиты с вакуумными трубками могут достигать температуры выше 290 ° C (550 ° F). С их помощью можно жарить мясо, жарить овощи, готовить суп, печь хлеб и вскипятить воду за считанные минуты. Плиты вакуумного типа способны нагреваться даже в облаках и на морозе.
• Обычные плиты с солнечными батареями достигают температуры до 165 ° C (325 ° F). Они могут стерилизовать воду или готовить большинство продуктов, которые можно приготовить в обычной духовке или плите, включая хлеб, овощи и мясо, в течение нескольких часов.
• Солнечные плиты не используют топливо. Это экономит затраты, а также снижает ущерб окружающей среде, вызванный использованием топлива. Поскольку 2,5 миллиарда человек готовят на открытом огне, используя топливо из биомассы, солнечные плиты могут принести большую экономическую и экологическую выгоду за счет сокращения вырубки лесов.
• Когда солнечные плиты используются снаружи, они не выделяют внутреннее тепло, что также потенциально экономит затраты на топливо для охлаждения. Любой тип приготовления пищи может привести к испарению жира, масла и других материалов в воздух, поэтому очистка может оказаться менее трудоемкой.
• Термический КПД типичной угольной печи составляет 15%, тогда как у солнечных плит тепловой КПД составляет 65%.
• Уменьшает выбросы углекислого газа за счет приготовления пищи без использования углеродного топлива или электроэнергии из традиционных источников.

Недостатки

• Солнечные плиты менее полезны в пасмурную погоду и вблизи полюсов, где Солнце находится низко в небе, поэтому в этих условиях по-прежнему требуется альтернативный источник приготовления пищи. Сторонники приготовления пищи на солнечной энергии предлагают три устройства для комплексного решения приготовления пищи: а) солнечная плита; б) экономичная кухонная плита ; в) изолированный контейнер для хранения, например корзина, наполненная соломой, для хранения разогретой пищи. Очень горячая пища может продолжать готовиться в течение нескольких часов в хорошо изолированном контейнере. Благодаря этому трехэтапному решению потребление топлива сводится к минимуму, при этом надежно обеспечивая горячее питание в любое время.
• Некоторые солнечные плиты, особенно солнечные печи, требуют больше времени для приготовления пищи, чем обычная плита или духовка. Использование солнечных плит может потребовать, чтобы приготовление пищи начиналось за несколько часов до еды. Однако во время приготовления требуется меньше времени, поэтому это часто считается разумным компромиссом.
• Поварам, возможно, придется изучить специальные методы приготовления пищи для жарки обычных продуктов, таких как яичница или лепешки, такие как чапати и лепешки . Может оказаться невозможным безопасно или полностью приготовить некоторые толстые продукты, такие как большое жаркое, буханки хлеба или кастрюли с супом, особенно в небольших панельных плитах; повару, возможно, придется разделить их на более мелкие порции перед приготовлением.
• Некоторые конструкции солнечных плит подвержены воздействию сильного ветра, который может замедлить процесс приготовления, охладить пищу из-за конвективных потерь и нарушить работу отражателя. Возможно, потребуется закрепить отражатель, например, с помощью колец и утяжеленных предметов, например кирпичей.
• Интенсивное солнечное излучение в любой точке фокуса или зоне приготовления пищи может вызвать сильный нагрев и солнечный ожог любой открытой кожи, случайно оказавшейся на пути концентрированных лучей. Излучение также опасно для незащищенных глаз и может ускорить образование катаракты из-за чрезмерного воздействия УФ-излучения.

Проекты

Студенты проводят эксперимент с использованием солнечной плиты, сделанной из зонтика.

Картон, алюминиевая фольга и пластиковые пакеты для более чем 10 000 солнечных плит были переданы в дар лагерям беженцев Иридими и Тулум в Чаде совместными усилиями организации Jewish World Watch , голландского фонда KoZon и Solar Cookers International . Беженцы сами строят плиты, используя пожертвованные материалы и купленную на месте арабскую камедь . Это также значительно сократило количество времени, которое женщины ежедневно тратят на уход за открытым огнем, в результате чего они стали здоровее и у них появилось больше времени для выращивания овощей для своих семей и изготовления изделий ручной работы на экспорт. К 2007 году Всемирный еврейский наблюдатель обучил 4500 женщин и предоставил беженцам 10 000 солнечных плит. Проект также сократил количество походов за пищей на целых 70 процентов, тем самым сократив количество нападений.

См. также

• Гелиостат
• Киотская коробка
• Телескоп с жидкостным зеркалом
• Список печей
• Параболоид § Размеры параболоидной тарелки
• Солнечные плиты Интернешнл
• Солнечный перегонный куб
• Солнечная восходящая башня
• Солнечная дезинфекция воды
• Солнечное отопление воды
• Концентрированная солнечная энергия

Внешние ссылки

• Солнечная кулинария вики