Солнечная плита представляет собой устройство , которое использует энергию прямого солнечного света в тепло, готовить или пастеризовать напитки и другие пищевые продукты. Многие солнечные плиты, которые используются в настоящее время, являются относительно недорогими, низкотехнологичными устройствами, хотя некоторые из них столь же мощны или дороги, как традиционные печи [1], а современные, крупномасштабные солнечные плиты могут готовить для сотен людей. [2] Поскольку они не используют топливо и ничего не стоят 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
Первое академическое описание принципов работы солнечной плиты принадлежит швейцарскому геологу, метеорологу, физику, альпинисту и исследователю Альп Горацию-Бенедикту де Соссюру в 1767 году . Принцип приготовления блюд на солнце получил широкое развитие во Французском Иностранном легионе в 1870-х годах. [3]
Принцип работы
1) Концентрация солнечного света: зеркальная поверхность с высоким зеркальным отражением используется для концентрации солнечного света в небольшой зоне для приготовления пищи. В зависимости от геометрии поверхности солнечный свет может быть сконцентрирован на несколько порядков, создавая температуры, достаточно высокие для плавления соли и металла. Для большинства бытовых применений для приготовления пищи на солнечной энергии такие высокие температуры не требуются. Продукты для приготовления на солнечных батареях обычно рассчитаны на достижение температуры от 65 ° C (150 ° F) (температура выпечки) до 400 ° C (750 ° F) (температура жарки / запекания) в солнечный день.
2) Преобразование световой энергии в тепловую: солнечные плиты концентрируют солнечный свет на приемнике, таком как кастрюля. Взаимодействие между световой энергией и материалом приемника преобразует свет в тепло, и это называется проводимостью. Это преобразование максимизируется за счет использования материалов, которые проводят и сохраняют тепло. Кастрюли и сковороды, используемые на солнечных батареях, должны быть матово-черного цвета для максимального впитывания.
3) Улавливание тепловой энергии: важно уменьшить конвекцию , изолировав воздух внутри плиты от воздуха снаружи плиты. Простое закрытие кастрюли стеклянной крышкой увеличивает поглощение света сверху кастрюли и обеспечивает парниковый эффект , улучшающий удержание тепла и сводящий к минимуму конвекционные потери . Это «остекление» пропускает входящий видимый солнечный свет, но непрозрачно для выхода инфракрасного теплового излучения. В условиях ограниченных ресурсов высокотемпературный пластиковый пакет может выполнять аналогичную функцию, задерживая воздух внутри и позволяя достичь температуры в холодные и ветреные дни, аналогичные тем, которые возможны в жаркие дни. Ниже приведены основы науки о плитах на солнечных батареях и плитах с солнечными батареями. Другой вид солнечной плиты - параболическая солнечная плита. Обычно они требуют более частой переориентации на солнце, но готовятся быстрее при более высоких температурах и могут жарить продукты. В варочных камерах с вакуумными трубками используется стеклянная трубка с высокой изоляцией и двойными стенками, для которой не требуются большие отражатели.
Операция
Различные типы солнечных плит (на данный момент было изготовлено более 300 моделей солнечных плит) используют несколько разные методы приготовления, но большинство из них следуют одним и тем же основным принципам.
Еда готовится как на духовке или на плите. Однако, поскольку еда готовится быстрее, когда она находится на более мелких кусках, еда, помещенная в солнечную плиту, обычно разрезается на более мелкие кусочки, чем могла бы быть в противном случае. [4] Например, картофель обычно нарезают небольшими кусочками, а не жарят целиком. [5] Для очень простых блюд, таких как плавление масла или сыра, крышка может не требоваться, и продукты можно класть на открытый поднос или в миску. Если нужно приготовить несколько продуктов по отдельности, их помещают в разные емкости.
Емкость с едой помещается внутри солнечной плиты, которую можно поднять на кирпиче, камне, металлической подставке или другом радиаторе , а солнечная плита находится под прямыми солнечными лучами. [4] Блюда, которые готовятся быстро, могут быть добавлены в солнечную плиту позже. Рис для полуденного приема пищи можно начинать рано утром, а в середине утра добавлять в солнечную плиту овощи, сыр или суп. В зависимости от размера солнечной плиты и количества и количества приготовленных продуктов семья может использовать одну или несколько солнечных плит.
Солнечную печь поворачивают к солнцу и оставляют, пока еда не будет приготовлена. В отличие от приготовления пищи на плите или над огнем, для чего может потребоваться более часа постоянного наблюдения, пищу в солнечной духовке обычно не перемешивают и не переворачивают, потому что в этом нет необходимости и потому, что открытие солнечной печи позволяет удержанному теплу выйти. сбежать и тем самым замедлить процесс приготовления. При желании солнечную печь можно проверять каждые один-два часа, чтобы повернуть духовку более точно на солнце и убедиться, что тени от близлежащих зданий или растений не блокируют солнечный свет. Если пищу нужно оставить без присмотра в течение многих часов в течение дня, тогда солнечную печь часто поворачивают лицом к точке, где будет солнце, когда оно находится выше всего в небе, а не к ее текущему положению. [6]
Время приготовления зависит в первую очередь 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 за два часа до и после местного солнечного полудня, чем рано утром или поздно вечером. Приготовление большого количества продуктов и продуктов большими кусками требует больше времени. В результате для времени приготовления можно привести только общие цифры. С небольшой плитой на солнечных батареях можно растопить масло за 15 минут, испечь печенье за 2 часа и приготовить рис для четырех человек за 4 часа. Благодаря высокопроизводительной параболической солнечной плите вы сможете приготовить стейк за считанные минуты. Однако, в зависимости от местных условий и типа солнечной плиты, эти проекты могут занять вдвое или вдвое больше.
В солнечной плите сложно сжечь пищу. [5] Пища, 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 от идеально приготовленного ярко-зеленого до оливково-серого , сохраняя при этом желаемую текстуру.
Для большинства продуктов, таких как рис, обычный человек не сможет определить, как они были приготовлены, глядя на конечный продукт. Однако есть некоторые отличия: хлеб и пирожные подрумяниваются сверху, а не снизу. По сравнению с приготовлением на огне пища не имеет запаха дыма.
Коробчатые и панельные конструкции
Ящик-плита имеет прозрачную стеклянную или пластиковую крышку и может иметь дополнительные отражатели для концентрации солнечного света в ящике. Верхнюю часть обычно можно снять, чтобы поместить внутрь темные горшки с едой. Один или несколько отражателей из блестящего металла или материала с фольгой могут быть расположены так, чтобы отражать дополнительный свет внутрь камеры печи. Емкости для приготовления пищи и внутреннее дно плиты должны быть темного или черного цвета. Внутренние стены должны быть отражающими, чтобы уменьшить потери тепла на излучение и отражать свет в сторону горшков и темного дна, которое контактирует с горшками. Коробка должна иметь изолированные стороны. Теплоизоляция солнечной печи должна выдерживать температуру до 150 ° C (300 ° F) без плавления или выделения газов. Для утепления стенок плиты можно использовать смятую газету, шерсть, тряпки, сухую траву, листы картона и т. Д. Металлические горшки и / или дно поддонов можно затемнить плоской черной аэрозольной краской (которая не токсична при нагревании), черной темперной краской или копотью от огня. Солнечная печь-бокс обычно достигает температуры 150 ° C (300 ° F). Она не такая горячая, как стандартная духовка, но все же достаточно горячая, чтобы готовить пищу 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 духовкой регулярно проводятся в качестве проектов в средних школах и колледжах, например, «Разрушение солнечной печи» в Университете Аризоны . [7] Эти проекты доказывают, что можно как достичь высоких температур, так и прогнозировать высокие температуры с помощью математических моделей.
Параболические отражатели
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 могут быть сопоставимы с температурами, достигаемыми в газовых и угольных грилях. Эти типы солнечных плит широко используются в нескольких регионах мира, в первую очередь 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 печей в Китае сокращают выбросы углекислого газа на 1–4 тонны в год и получают углеродные кредиты в рамках Механизма чистого развития (МЧР) и Золотого стандарта .
В некоторых параболических солнечных плитах используются самые современные материалы и конструкция, обеспечивающая КПД солнечной энергии> 90%. Другие достаточно велики, чтобы кормить тысячи людей каждый день, например, солнечная чаша в Ауровиле в Индии, где 2 раза в день готовят для 1000 человек. [8]
Если отражатель осесимметричен и имеет форму параболы в поперечном сечении , он имеет свойство направлять параллельные лучи света (например, солнечного света) в точечный фокус . Если ось симметрии направлена на солнце, любой объект, расположенный в фокусе, получает сильно концентрированный солнечный свет и поэтому становится очень горячим. Это основа для использования такого рода отражателя при приготовлении пищи на солнце.
Параболоидальные отражатели
Параболоиды - это составные кривые , которые сложнее построить на простом оборудовании, чем отдельные кривые . Хотя параболоидные солнечные плиты могут готовить так же хорошо, как и обычные печи, или даже лучше, их сложно собрать вручную. Часто эти отражатели изготавливаются из множества небольших сегментов, которые представляют собой отдельные кривые, которые вместе аппроксимируют составные кривые.
Хотя параболоиды трудно сделать из плоских листов твердого материала, их можно сделать довольно просто, вращая емкости с открытым верхом, в которых содержатся жидкости. Верхняя поверхность жидкости, которая вращается с постоянной скоростью вокруг вертикальной оси, естественно принимает форму параболоида. Центробежная сила заставляет материал перемещаться наружу от оси вращения до тех пор, пока на поверхности не образуется достаточно глубокое углубление, чтобы сила уравновешивалась выравнивающим эффектом силы тяжести. Оказывается, депрессия - точный параболоид. (См. Телескоп с жидкостным зеркалом .) Если материал затвердевает во время вращения, параболоидальная форма сохраняется после остановки вращения и может использоваться для изготовления отражателя. [ необходима цитата ] Этот метод вращения иногда используется для изготовления параболоидальных зеркал для астрономических телескопов, а также для солнечных плит. Устройства для создания таких параболоидов известны как вращающиеся печи .
Параболоидальные отражатели создают высокие температуры и быстро готовятся, но требуют частой регулировки и контроля для безопасной эксплуатации. Их существует несколько сотен тысяч, в основном в Китае. [ необходима цитата ] Они особенно полезны для индивидуального домашнего приготовления и приготовления пищи в крупных учреждениях.
В плите Шеффлера (названной в честь ее изобретателя Вольфганга Шеффлера ) используется большой идеально параболоидальный отражатель, который вращается вокруг оси, параллельной оси Земли, с помощью механического механизма, вращающегося со скоростью 15 градусов в час, чтобы компенсировать вращение Земли. Ось проходит через центр масс отражателя, что позволяет легко поворачивать отражатель. Емкость для приготовления пищи расположена в фокусе, который находится на оси вращения, поэтому зеркало концентрирует на ней солнечный свет в течение всего дня. Зеркало необходимо иногда наклонять вокруг перпендикулярной оси, чтобы компенсировать сезонные колебания в склонении солнца . Эта перпендикулярная ось не проходит через кухонный сосуд. Следовательно, если бы отражатель был жестким параболоидом, его фокус не оставался бы неподвижным на посуде для приготовления пищи при наклоне отражателя. Чтобы фокус оставался неподвижным, форма отражателя должна изменяться. Он остается параболоидальным, но его фокусное расстояние и другие параметры меняются при наклоне. Таким образом, отражатель Шеффлера является гибким, и его можно согнуть, чтобы изменить его форму. Он часто состоит из большого количества небольших плоских секций, таких как стеклянные зеркала, соединенных между собой гибким пластиком. Каркас, поддерживающий отражатель, включает механизм, который можно использовать для его наклона и соответствующего изгиба. Зеркало никогда не бывает точно параболоидальным, но оно всегда достаточно близко для приготовления пищи. [ необходима цитата ]
Иногда вращающийся отражатель располагается на открытом воздухе, и отраженный солнечный свет проходит через отверстие в стене на внутреннюю кухню, часто в большую общую кухню, где и происходит приготовление пищи. [ необходима цитата ]
Полезны параболоидальные отражатели, центры масс которых совпадают с точками фокусировки. Их можно легко повернуть, чтобы следовать за движением солнца в небе, вращаясь вокруг любой оси, проходящей через фокус. Можно использовать две перпендикулярные оси, пересекающиеся в фокусе, чтобы параболоид мог следовать как за дневным, так и за сезонным движением Солнца. Кастрюля остается неподвижной в фокусе. Если параболоидальный 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, составляет 1,8478 раз. его фокусное расстояние. Радиус обода рефлектора в 2,7187 раза больше фокусного расстояния. Угловой радиус обода, если смотреть из точки фокусировки, составляет 72,68 градуса. [ необходима цитата ]
Параболические желоба
Параболические желоба используются для концентрации солнечного света в целях получения солнечной энергии. Были построены некоторые солнечные плиты, которые используют их таким же образом. [10] Как правило, желоб выровнен по горизонтали и фокальной линии с востока на запад. По этой линии располагаются продукты, которые нужно приготовить. Желоб заострен так, что его ось симметрии в полдень направлена на солнце. Это требует, чтобы желоб наклонялся вверх и вниз в зависимости от сезона. В дни равноденствия не нужно перемещать желоб в течение дня для отслеживания солнца. [11] 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 отслеживание солнца в ней не предусмотрено. Эта простота делает конструкцию привлекательной по сравнению с использованием параболоида. Кроме того , желобный отражатель , состоящий из одной кривой , проще сконструировать. Однако он страдает более низкой эффективностью.
Можно использовать два параболических желоба, изогнутые в перпендикулярных направлениях, чтобы направить солнечный свет в точечный фокус, как это делает параболоидальный отражатель. [ необходима цитата ] Входящий свет попадает в одну из впадин, которая направляет его к фокусу линии. 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 одну кривую , которую можно сделать, просто согнув плоский лист металла. Кроме того, свет, который достигает целевой кастрюли, направлен приблизительно вниз, что снижает опасность повреждения глаз окружающим. С другой стороны, есть недостатки. Требуется больше материала для зеркала, что увеличивает стоимость, а свет отражается двумя поверхностями вместо одной, что неизбежно увеличивает количество потерь.
Два желоба удерживаются в фиксированной ориентации относительно друг друга, будучи закрепленными на раме. [ необходима цитата ] Вся конструкция рамы и желобов должна быть перемещена, чтобы отслеживать движение солнца по небу. Существуют промышленные кухонные плиты, использующие этот метод. На практике (например, в автомобильных фарах) вогнутые зеркала имеют параболическую форму.
Сферические отражатели
Сферические отражатели работают так же, как параболоидальные отражатели, так что ось симметрии направлена к солнцу, так что свет концентрируется в фокусе. Однако фокус сферического отражателя не будет точечным фокусом, потому что он страдает от явления, известного как сферическая аберрация . Некоторые концентрирующие антенны (например, спутниковые антенны), не требующие точной фокусировки, выбирают сферическую кривизну над параболоидом. Если радиус обода сферического отражателя мал по сравнению с радиусом кривизны его поверхности (радиус сферы, частью которой является отражатель), отражатель приближается к параболоидальному с фокусным расстоянием, равным половине радиуса. кривизны. [12]
Технология вакуумных трубок
Вакуумные трубчатые солнечные плиты по существу герметизированы между двумя слоями стекла. Вакуум позволяет трубке действовать как "супер" теплица и как изолятор . Центральная трубка для варки сделана из боросиликатного стекла, устойчивого к тепловым ударам, и имеет вакуум под поверхностью для изоляции внутри. Внутренняя часть трубки облицована нитрилом из меди, нержавеющей стали и алюминия, чтобы лучше поглощать и отводить тепло от солнечных лучей.
Преимущества и недостатки
Преимущества
- Высокоэффективные параболические солнечные плиты и вакуумные трубчатые плиты могут достигать температуры выше 290 ° C (550 ° F). Их можно использовать для жарки мяса, овощей, приготовления супа, выпечки хлеба и кипячения воды за считанные минуты. Плиты вакуумного типа могут нагреваться даже в облаках и на морозе.
- Обычные кухонные плиты на солнечных батареях 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 средства, а также снижает ущерб окружающей среде от использования топлива. Поскольку 2,5 миллиарда человек готовят пищу на открытом огне, используя топливо из биомассы, солнечные плиты могут принести большие экономические и экологические выгоды за счет сокращения вырубки лесов. [13]
- Когда солнечные плиты используются снаружи, они не выделяют тепло внутри, что также потенциально снижает затраты на топливо для охлаждения. При приготовлении любого типа в воздухе могут быть испарены жир, масло и другие материалы, поэтому очистка может быть меньше.
- Снижает углеродный след за счет приготовления пищи без использования углеродного топлива или электроэнергии из традиционных источников. [14]
Недостатки
- Солнечные плиты менее полезны ночью, в пасмурную погоду и вблизи полюсов, где солнце находится низко в небе, поэтому в этих условиях все еще требуется альтернативный источник приготовления пищи. Сторонники солнечного приготовления пищи предлагают три устройства для интегрированного решения для приготовления пищи: а) солнечная плита; б) экономичная плита ; c) изолированный контейнер для хранения, такой как корзина, наполненная соломой, для хранения нагретой пищи. Очень горячая пища может продолжать готовиться в течение нескольких часов в хорошо изолированном контейнере. С помощью этого трехкомпонентного решения расход топлива сводится к минимуму, при этом обеспечивая надежное горячее питание в любой час.
- Некоторые солнечные плиты, особенно солнечные печи, готовят пищу дольше, чем обычная плита или духовка. Использование солнечных батарей может потребовать начала приготовления пищи за несколько часов до еды. Однако для этого требуется меньше времени во время приготовления, поэтому это часто считается разумным компромиссом.
- Поварам, возможно, потребуется изучить специальные методы приготовления, чтобы жарить обычные продукты, такие как яичница или лепешки, такие как чапати и лепешки . Возможно, будет невозможно безопасно или полностью приготовить некоторые толстые продукты, такие как большое жаркое, буханки хлеба или супы, особенно в небольших панельных плитах; перед приготовлением повару может потребоваться разделить их на более мелкие порции.
- Некоторые конструкции солнечных батарей подвержены воздействию сильного ветра, который может замедлить процесс приготовления, охладить пищу из-за конвективных потерь и повредить отражатель. Может потребоваться закрепить отражатель, например, с помощью веревки или утяжеленных предметов, например кирпичей.
Проекты
Картон, алюминиевая фольга и полиэтиленовые пакеты для более чем 10 000 солнечных плит были переданы в дар лагерям беженцев Иридими и Тулум в Чаде совместными усилиями Jewish World Watch , голландского фонда KoZon и Solar Cookers International . Беженцы сами конструируют плиты, используя пожертвованные материалы и местную гуммиарабик . [15] Это также значительно сократило количество времени, которое женщины тратят каждый день, ухаживая за открытым огнем, в результате чего они становятся более здоровыми и у них появляется больше времени для выращивания овощей для своих семей и изготовления поделок на экспорт. [15] К 2007 году « Еврейский уорлд уотч» обучил 4500 женщин и предоставил беженцам 10 000 солнечных плит. Проект также сократил количество походов за кормом на 70 процентов, тем самым уменьшив количество атак. [ необходима цитата ]
Смотрите также
- Гелиостат
- Киотская коробка
- Жидкозеркальный телескоп
- Список печей
- Параболоид # Размеры параболоидальной тарелки
- Solar Cookers International
- Солнечный еще
- Солнечная восходящая башня
- Солнечная дезинфекция воды
Рекомендации
- ^ "Солнечные плиты: разновидности и стили" . CantinaWest . Проверено 4 июня 2014 года .
- ^ «Самая большая в мире солнечная кухня на 38500 обедов в Индии» . обитать . Проверено 4 июня 2014 года .
- ^ Николс, К. Алан. НАПРАВЛЯЮЩАЯ СОЛНЕЧНАЯ ПЛИТА . solarcooking.org
- ^ а б Яффе, Линда Фредерик (2007). Солнечная кухня для дома и лагеря . Механиксбург, Пенсильвания: Stackpole Books. С. 16–20. ISBN 978-0-8117-3402-8.
- ^ а б Halacy, DS; Хэлэси, Бет (1992). Готовим на солнышке . Ла Файет, Калифорния: Morning Sun Press. С. 46–47. ISBN 0-9629069-2-1.
- ^ Halacy, DS; Хэлэси, Бет (1992). Готовим на солнышке . Ла Файет, Калифорния: Morning Sun Press. п. 89. ISBN 0-9629069-2-1.
- ^ «Солнечная печь Throwdown нагревает UA Mall» . UANews . 23 октября 2013 г.
- ^ «Солнечная чаша» . archive.org . 22 декабря 2014 года. Архивировано 22 декабря 2014 года.CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
- ^ Фотографии солнечной плиты Официальный сайт Solar Cooking Atlas
- ^ Шах, Ятиш Т. (12 января 2018 г.). Тепловая энергия: источники, восстановление и применение . CRC Press. С. 340–. ISBN 978-1-315-30593-6.
- ^ Принслоо, Дж. Дж. И Добсон, RT (2015). Солнечное слежение . п. 1. DOI : 10,13140 / RG.2.1.4265.6329 / 1 . ISBN 978-0-620-61576-1.
- ^ См. Парабола # Фокусное расстояние и радиус кривизны в вершине.
- ^ «ВОЗ: загрязнение воздуха в домашних условиях и здоровье» . Всемирная организация здравоохранения . Проверено 15 мая 2014 .
- ^ "Полное руководство по солнечной духовке: 6 лучших отзывов о солнечных духовках | Крошечная жизнь" . Крошечная жизнь . Проверено 11 августа 2018 .
- ^ а б «Солнечный спасательный круг спасает женщин Дарфура» . CNN. 2007-09-17 . Проверено 6 марта 2008 .
Внешние ссылки
- Солнечная кулинария вики