Солнечная плита — это устройство, которое использует энергию прямого солнечного света для нагрева, приготовления или пастеризации напитков и других пищевых материалов. Многие солнечные печи, которые используются в настоящее время, являются относительно недорогими, низкотехнологичными устройствами, хотя некоторые из них столь же мощные или дорогие, как традиционные печи, [1] а передовые, крупномасштабные солнечные печи могут готовить для сотен людей. [2] Поскольку они не используют топливо и не требуют затрат на эксплуатацию, многие некоммерческие организации продвигают их использование по всему миру, чтобы помочь сократить расходы на топливо и загрязнение воздуха, а также помочь замедлить вырубку лесов и опустынивание .
.jpg/1280px-Koken_op_zonnestralen,_demonstratie_vrouwelijke_geleerde_India,_Bestanddeelnr_914-3949_(cropped).jpg)
В древние времена считалось, что использование солнечной энергии существовало в цивилизациях греков , римлян и китайцев , хотя и не для приготовления пищи. [3]
Первое академическое описание принципов работы солнечной печи принадлежит швейцарскому геологу, метеорологу, физику и исследователю Альп Орасу-Бенедикту де Соссюру в 1767 году . Принцип приготовления пищи с помощью солнечного света был в значительной степени разработан во Французском Иностранном легионе в 1870-х годах. [4]
Зеркальная поверхность с высоким зеркальным отражением используется для концентрации солнечного света в небольшой зоне приготовления пищи. В зависимости от геометрии поверхности солнечный свет может концентрироваться на несколько порядков величины, создавая температуры, достаточно высокие для плавления соли и металла. Такие высокие температуры на самом деле не требуются для большинства бытовых солнечных кулинарных приложений. Солнечные кулинарные изделия обычно рассчитаны на достижение температур от 65 °C (150 °F) (температуры выпечки) до 400 °C (750 °F) (температуры обжаривания/жаривания) в солнечный день.
Эта световая энергия затем преобразуется в тепловую энергию. Солнечные плиты концентрируют солнечный свет на приемнике, например, кастрюле. 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 для максимального поглощения.
Важно удерживать тепловую энергию и уменьшать конвекцию , изолируя воздух внутри плиты от воздуха снаружи плиты. Простое использование стеклянной крышки на вашей кастрюле увеличивает поглощение света сверху кастрюли и обеспечивает парниковый эффект , который улучшает удержание тепла и минимизирует потери конвекции . Это «стекло» пропускает входящий видимый солнечный свет, но непрозрачно для выходящего инфракрасного теплового излучения. В условиях ограниченных ресурсов высокотемпературный пластиковый пакет может выполнять аналогичную функцию, удерживая воздух внутри и позволяя достигать температур в холодные и ветреные дни, аналогичных возможным в жаркие дни.
Различные типы солнечных печей используют несколько разные методы приготовления пищи, но большинство из них следуют одним и тем же основным принципам.
Еда готовится так, как будто ее готовят в духовке или на плите. Однако, поскольку еда готовится быстрее, когда она нарезана мелкими кусочками, еда, помещенная в солнечную печь, обычно нарезается на более мелкие кусочки, чем могла бы быть в противном случае. [5] Например, картофель обычно нарезают на небольшие кусочки, а не запекают целиком. [6] Для очень простых блюд, таких как растапливание масла или сыра, крышка может не понадобиться, и еду можно положить на открытый поднос или в миску. Если несколько продуктов нужно приготовить отдельно, то их помещают в разные емкости.
Контейнер с едой помещается внутрь солнечной печи, которая может быть приподнята на кирпиче, камне, металлической подставке или другом теплоотводе , а солнечная печь помещается под прямые солнечные лучи. [5] Продукты, которые быстро готовятся, можно добавлять в солнечную печь позже. Рис для обеда можно начинать готовить рано утром, а овощи, сыр или суп добавлять в солнечную печь в середине утра. В зависимости от размера солнечной печи и количества и количества приготовленных блюд семья может использовать одну или несколько солнечных печей.
Солнечную печь поворачивают к Солнцу и оставляют до тех пор, пока еда не приготовится. В отличие от приготовления на плите или на огне, которое может потребовать более часа постоянного наблюдения, пищу в солнечной печи обычно не перемешивают и не переворачивают, как потому, что это не нужно, так и потому, что открытие солнечной печи позволяет выходить запертому теплу и тем самым замедляет процесс приготовления. При желании солнечную печь можно проверять каждые один-два часа, чтобы повернуть ее лицом к Солнцу более точно и убедиться, что тени от близлежащих зданий или растений не заблокировали солнечный свет. Если еду нужно оставить без присмотра на много часов в течение дня, то солнечную печь часто поворачивают лицом к точке, где будет находиться Солнце, когда оно окажется выше всего на небе, а не к его текущему положению. [7]
Время приготовления в первую очередь зависит от используемого оборудования, количества солнечного света в это время и количества пищи, которую необходимо приготовить. Температура воздуха, ветер и широта также влияют на производительность. Еда готовится быстрее в течение двух часов до и после местного солнечного полудня, чем рано утром или поздно вечером. Большое количество пищи и еда большими кусками готовится дольше. В результате можно привести только общие цифры по времени приготовления. С небольшой плитой на солнечной панели можно растопить масло за 15 минут, испечь печенье за 2 часа и приготовить рис на четверых за 4 часа. С высокопроизводительной параболической солнечной плитой вы можете приготовить стейк за считанные минуты. Однако в зависимости от местных условий и типа солнечной плиты эти проекты могут занять вдвое меньше или вдвое больше времени.
Трудно сжечь еду в солнечной печи. [6] Еда, которая была приготовлена даже на час дольше, чем необходимо, обычно неотличима от минимально приготовленной пищи. Исключением из этого правила являются некоторые зеленые овощи, которые быстро меняют цвет с идеально приготовленного ярко-зеленого на оливково-серый , сохраняя при этом желаемую текстуру.
Для большинства продуктов, таких как рис, типичный 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 дымного привкуса.
.png/1280px-HotPot_solar_cooker_with_panel_reflector_(5_liter_capacity,_front_view).png)
Коробчатая плита имеет прозрачную стеклянную или пластиковую верхнюю часть и может иметь дополнительные отражатели для концентрации солнечного света в коробке. Верхнюю часть обычно можно снять, чтобы можно было поместить внутрь темные кастрюли с едой. Один или несколько отражателей из блестящего металла или покрытого фольгой материала могут быть установлены для отражения дополнительного света во внутреннюю часть камеры печи. Контейнеры для приготовления пищи и внутреннее дно плиты должны быть темного цвета или черными. Внутренние стенки должны быть отражающими, чтобы уменьшить потери тепла на излучение и отражать свет в сторону кастрюль и темного дна, которое соприкасается с кастрюлями. Коробка должна иметь изолированные стороны. Теплоизоляция для солнечной коробчатой плиты должна выдерживать температуру до 150 °C (300 °F) без плавления или выделения газа. Для изоляции стенок плиты можно использовать скомканные газеты, шерсть, тряпки, сухую траву, листы картона и т. д. Металлические кастрюли и/или нижние поддоны можно затемнить либо черной матовой краской-спрей (нетоксичной при нагревании), либо черной темперной краской, либо сажей от огня. Солнечная бокс-печь обычно достигает температуры 150 °C (300 °F). Это не так жарко, как в стандартной духовке, но все еще достаточно жарко, чтобы готовить еду в течение более длительного периода времени.
Панельные солнечные печи — это недорогие солнечные печи, в которых используются отражающие панели для направления солнечного света на кастрюлю, помещенную в прозрачный пластиковый пакет.
Научные эксперименты с солнечной печью регулярно проводятся в качестве проектов в средних школах и колледжах, например, «Бросок солнечной печи» в Университете Аризоны . [8] Эти проекты доказывают, что возможно как достижение высоких температур, так и прогнозирование высоких температур с помощью математических моделей.
Параболические солнечные печи концентрируют солнечный свет в одной точке. Когда эта точка фокусируется на дне кастрюли, она может быстро нагреть кастрюлю до очень высоких температур, которые часто можно сравнить с температурами, достигаемыми в газовых и угольных грилях. Эти типы солнечных печей широко используются в нескольких регионах мира, особенно в Китае и Индии, где сотни тысяч семей в настоящее время используют параболические солнечные печи для приготовления пищи и нагрева воды. Некоторые проекты параболических солнечных печей в Китае сокращают выбросы углекислого газа на 1–4 тонны в год и получают углеродные кредиты через Механизм чистого развития (CDM) и Золотой стандарт. Некоторые параболические солнечные печи включают в себя передовые материалы и конструкции, которые приводят к эффективности использования солнечной энергии >90%. Другие достаточно велики, чтобы кормить тысячи людей каждый день, например, солнечная чаша в Ауровиле в Индии, которая готовит 2 приема пищи в день для 1000 человек. [9]
Если рефлектор аксиально симметричен и имеет форму параболы , то он обладает свойством сводить параллельные лучи света (например, солнечный свет) в точечный фокус . Если ось симметрии направлена на Солнце, то любой объект, находящийся в фокусе, получает высококонцентрированный солнечный свет и, следовательно, становится очень горячим. Это является основой использования такого рода рефлекторов для приготовления пищи на солнечной энергии.
Параболоиды — это составные кривые, которые сложнее изготовить с помощью простого оборудования, чем одинарные кривые. Хотя параболоидные солнечные печи могут готовить так же хорошо или даже лучше, чем обычная печь, их трудно изготовить вручную. Часто эти отражатели изготавливаются с использованием множества небольших сегментов, которые все являются одинарными кривыми, которые вместе приближаются к составным кривым.
Хотя параболоиды трудно изготовить из плоских листов твердого материала, их можно сделать довольно просто, вращая открытые сверху контейнеры, содержащие жидкости. Верхняя поверхность жидкости, которая вращается 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 впадина, чтобы сила была уравновешена выравнивающим эффектом гравитации. Оказывается, впадина представляет собой точный параболоид. (См. Телескоп с жидкостным зеркалом .) Если материал затвердевает во время вращения, параболоидная форма сохраняется после остановки вращения и может быть использована для изготовления отражателя. [ необходима цитата ] Эта техника вращения иногда используется для изготовления параболоидных зеркал для астрономических телескопов, а также использовалась для солнечных плит. Устройства для построения таких параболоидов известны как вращающиеся печи .
Параболоидные отражатели генерируют высокие температуры и готовят быстро, но требуют частой регулировки и контроля для безопасной эксплуатации. Существует несколько сотен тысяч, в основном в Китае. [ необходима цитата ] Они особенно полезны для индивидуального домашнего и крупномасштабного институционального приготовления пищи.
Печь Шеффлера (названная в честь ее изобретателя Вольфганга Шеффлера ) использует большой идеально параболоидный отражатель, который вращается вокруг оси, параллельной оси Земли, с помощью механического механизма, поворачиваясь на 15 градусов в час, чтобы компенсировать вращение Земли. Ось проходит через центр масс отражателя, что позволяет легко поворачивать отражатель. Сосуд для приготовления пищи расположен в фокусе, который находится на оси вращения, поэтому зеркало концентрирует солнечный свет на нем в течение всего дня. Зеркало необходимо время от времени наклонять относительно перпендикулярной оси, чтобы компенсировать сезонные изменения склонения Солнца . Эта перпендикулярная ось не проходит через сосуд для приготовления пищи. Поэтому, если бы отражатель был жестким параболоидом, его фокус не оставался бы неподвижным на сосуде для приготовления пищи, когда отражатель наклоняется. Чтобы сохранить фокус неподвижным, форма отражателя должна меняться. Он остается параболоидным, но его фокусное расстояние и другие параметры изменяются по мере его наклона. Поэтому отражатель Шеффлера является гибким и может быть согнут для регулировки его формы. Часто он состоит из большого количества небольших плоских секций, таких как стеклянные зеркала, соединенных гибким пластиком. Каркас, который поддерживает отражатель, включает механизм, который может использоваться для его наклона, а также для изгибания соответствующим образом. Зеркало никогда не бывает точно параболоидным, но оно всегда достаточно близко для целей приготовления пищи. [ необходима цитата ]
Иногда вращающийся отражатель располагается снаружи, а отраженный солнечный свет проходит через отверстие в стене в кухню, часто большую общую, где и происходит приготовление пищи. [ необходима цитата ]
Параболоидные отражатели с центрами масс, совпадающими с их фокусными точками, полезны. Их можно легко повернуть, чтобы они следовали за движениями Солнца по небу, вращаясь вокруг любой оси, которая проходит через фокус. Можно использовать две перпендикулярные оси, пересекающиеся в фокусе, чтобы параболоид мог следовать как за суточным движением Солнца, так и за его сезонным движением. Кастрюля остается неподвижной в фокусе. Если параболоидный отражатель аксиально симметричен и изготовлен из материала однородной толщины, его центр масс совпадает с его фокусом, если глубина отражателя, измеренная вдоль его оси симметрии от вершины до плоскости обода, составляет 1,8478 его фокусного расстояния. Радиус обода отражателя составляет 2,7187 фокусного расстояния. Угловой радиус обода, видимый из фокусной точки, составляет 72,68 градуса. [ необходима цитата ]
Параболические желоба используются для концентрации солнечного света в целях получения солнечной энергии. Были построены некоторые солнечные печи, которые используют их таким же образом. [10] Обычно желоб выровнен по своей фокальной линии горизонтально и с востока на запад. Пища, которую нужно приготовить, располагается вдоль этой линии. Желоб направлен так, чтобы его ось симметрии была направлена на Солнце в полдень. Для этого желоб должен быть наклонен вверх и вниз по мере смены сезонов. В равноденствия не требуется никакого перемещения желоба в течение дня для отслеживания Солнца. [11] В другое время года есть период в несколько часов около полудня каждый день, когда отслеживание не требуется. Обычно плита используется только в этот период, поэтому в нее не встроено автоматическое отслеживание Солнца. Эта простота делает конструкцию привлекательной по сравнению с использованием параболоида. Кроме того, будучи одинарной кривой, отражатель желоба проще в изготовлении. Однако он страдает от более низкой эффективности.
Можно использовать два параболических желоба, изогнутых в перпендикулярных направлениях, чтобы направить солнечный свет в точечный фокус, как это делает параболоидный отражатель. [ необходима цитата ] Входящий свет попадает в один из желобов, который направляет его в линейный фокус. Второй желоб перехватывает сходящийся свет и фокусирует его в точку. [ необходима цитата ]
По сравнению с одним параболоидом использование двух частичных желобов имеет важные преимущества. Каждый желоб представляет собой отдельную кривую, которую можно сделать, просто согнув плоский лист металла. Кроме того, свет, который достигает целевой кастрюли, направлен примерно вниз, что снижает опасность повреждения глаз любого, кто находится поблизости. С другой стороны, есть и недостатки. Требуется больше зеркального материала, что увеличивает стоимость, и свет отражается двумя поверхностями вместо одной, что неизбежно увеличивает количество потерь.
Два желоба удерживаются в фиксированной ориентации относительно друг друга, будучи оба закреплены на раме. [ требуется ссылка ] Вся сборка рамы и желобов должна перемещаться, чтобы отслеживать движение солнца по небу. Доступны коммерческие плиты, использующие этот метод. В практических применениях (например, в автомобильных фарах) вогнутые зеркала имеют параболическую форму.
Сферические отражатели работают во многом как параболоидные отражатели, так что ось симметрии направлена к Солнцу, так что солнечный свет концентрируется в фокусе. Однако фокус сферического отражателя не будет точечным фокусом, поскольку он страдает от явления, известного как сферическая аберрация . Некоторые концентрирующие тарелки (например, спутниковые тарелки), которые не требуют точного фокуса, выбирают сферическую кривизну вместо параболоида. Если радиус обода сферического отражателя мал по сравнению с радиусом кривизны его поверхности (радиусом сферы, частью которой является отражатель), отражатель приближается к параболоидному с фокусным расстоянием, равным половине радиуса кривизны. [12]
Вакуумные трубчатые солнечные печи по сути герметично запечатаны между двумя слоями стекла. Вакуум позволяет трубке действовать как «супер» теплица и изолятор . Центральная трубка для приготовления пищи изготовлена из боросиликатного стекла, которое устойчиво к тепловому удару, и имеет вакуум под поверхностью для изоляции внутренней части. Внутренняя часть трубы облицована медью, нержавеющей сталью и нитрилом алюминия для лучшего поглощения и проведения тепла от солнечных лучей. Системы трубчатой солнечной печи используют отражатель для улучшения улавливания тепловой энергии. В Индии есть модели трубчатой системы приготовления пищи, в которых на дне трубы установлены устройства хранения энергии для хранения тепла для приготовления или подогрева пищи в ночное время.
Эти вакуумные солнечные печи могут приготовить еду всего за 20 минут. [13]
Картон, алюминиевая фольга и пластиковые пакеты для более чем 10 000 солнечных печей были пожертвованы лагерю беженцев Иридими и лагерю беженцев Тулум в Чаде совместными усилиями Jewish World Watch , голландского фонда KoZon и Solar Cookers International . Беженцы сами строят печи, используя пожертвованные материалы и купленную на месте аравийскую камедь . [18] Это также значительно сократило количество времени, которое женщины тратят на поддержание открытого огня каждый день, 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. [18] К 2007 году Jewish World Watch обучила 4500 женщин и предоставила беженцам 10 000 солнечных печей. Проект также сократил количество походов за продовольствием на целых 70 процентов, тем самым сократив количество нападений. [ необходима цитата ]
{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )