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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Forni solari. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative L'uso di successo dei forni solari (fornelli) è stato notato in Europa e in India già nel XVIII secolo. Le cucine e i forni solari assorbono l'energia solare, convertendola in calore, che viene immagazzinato all'interno di uno spazio chiuso. Il calore assorbito viene utilizzato per cucinare, friggere e cuocere al forno. La temperatura nel forno solare può raggiungere i 18 gradi Celsius. I forni solari sono disponibili in molte forme e dimensioni. Ecco alcuni esempi: forno, forno a concentrazione, riflettore, vaporizzatore solare, ecc. Con tutta la varietà di modelli, tutti i forni catturano il calore e lo mantengono in una camera isolata termicamente. Nella maggior parte dei modelli, la luce solare influisce direttamente sul cibo. Forni solari box I forni solari a cassetta sono costituiti da una scatola ben isolata, verniciata di nero all'interno, nella quale vengono riposte pentole nere di cibo. La scatola è coperta da una "finestra" a due strati che lascia entrare la radiazione solare nella scatola e trattiene il calore all'interno. Inoltre vi è fissato un coperchio con uno specchio all'interno che, essendo ripiegato, migliora la radiazione incidente e, una volta chiuso, migliora l'isolamento termico del forno.
I principali vantaggi dei forni solari box:
Sono relativamente economici (rispetto ad altri tipi di forni solari). Ovviamente hanno anche degli svantaggi:
A causa dei loro vantaggi, i forni solari a scatola sono il tipo più comune di forni solari. Sono di diverse tipologie: di produzione industriale, artigianale e casalinga; la forma può assomigliare a una valigia piatta oa una scatola larga e bassa. Esistono anche stufe fisse in argilla, con coperchio orizzontale (nelle regioni tropicali e subtropicali) o inclinato (nei climi temperati). Per una famiglia di cinque persone si consigliano modelli standard con un'area di apertura (area di ingresso) di circa 0,25 m2. In vendita ci sono anche versioni più grandi di forni - 1 m2 o più. Raccomandazioni per la costruzione di forni solari Poiché il calore assorbito dalla superficie interna della scatola deve essere trasferito alle pentole, il miglior materiale per la scatola è l'alluminio, che ha un'elevata conducibilità termica. Inoltre, l'alluminio non si corrode. Ad esempio, una scatola di acciaio, anche con rivestimento zincato, non può resistere a lungo all'ambiente caldo e umido all'interno del forno durante il processo di cottura. La lamiera di rame è troppo costosa. Non attaccare all'esterno della scatola parti metalliche che potrebbero creare ponti termici. Vetro, lana sintetica o qualche materiale naturale (arachidi, cocco, riso, mais, ecc.) possono fungere da materiale termoisolante. Qualunque sia il materiale utilizzato, deve rimanere asciutto. Il coperchio del forno può essere costituito da uno o due vetri con uno strato d'aria. La distanza tra due strati di vetro è solitamente di 10-20 mm. Gli studi hanno dimostrato che l'utilizzo di un materiale trasparente a nido d'ape che divide l'interno in piccole celle verticali può ridurre notevolmente la dispersione termica del forno, aumentandone così l'efficienza. Il vetro interno è sollecitato termicamente, quindi viene spesso utilizzato vetro temperato; oppure entrambi gli strati possono essere costituiti da vetro ordinario con uno spessore di circa 3 mm. La copertura esterna del forno solare è un riflettore che amplifica la radiazione incidente. La superficie riflettente può essere un normale specchio di vetro, un foglio di plastica con rivestimento riflettente o uno specchio metallico infrangibile. Come ultima risorsa, puoi usare la pellicola dei pacchetti di sigarette. La scatola esterna di un forno solare può essere realizzata in legno, fibra di vetro o metallo. La fibra di vetro è leggera, economica e resistente all'acqua, ma non molto durevole nell'uso continuo. Il legno è più resistente, ma più pesante e più suscettibile al deterioramento dovuto all'umidità. I fogli di alluminio in combinazione con elementi di fissaggio in legno formano la superficie di altissima qualità, resistente alle sollecitazioni meccaniche, alle variazioni di temperatura e all'umidità. Una scatola di legno rinforzata con alluminio è la più resistente, ma è più costosa e piuttosto pesante e richiede tempo per essere realizzata. Le prestazioni di un forno solare standard con un'area di apertura di 0,25 m2 raggiungono circa 4 kg di cibo al giorno, ovvero Abbastanza per una famiglia di cinque persone. La temperatura di picco all'interno del forno solare può superare i 150°C in una giornata di sole ai tropici; sono circa 120°C al di sopra della temperatura ambiente. Poiché l'acqua contenuta nel cibo non si riscalda oltre i 100°C, la temperatura all'interno del forno pieno sarà sempre corrispondentemente più bassa. La temperatura nel forno solare scende bruscamente quando vengono inseriti i piatti con il cibo. È anche importante che la temperatura rimanga ben al di sotto dei 100°C la maggior parte del tempo di cottura. Ma il punto di ebollizione è 100°C non è necessario per la maggior parte delle verdure e dei cereali. Il tempo medio di cottura in un forno solare è di 1-3 ore in buone condizioni di sole e carico moderato. L'uso di pentole in alluminio a parete sottile riduce notevolmente il tempo di cottura rispetto alle pentole in acciaio inossidabile. Inoltre, influenzano anche i seguenti fattori:
Stufe a specchio con riflettore Il forno a specchio più semplice è un riflettore parabolico e una griglia posta al centro del forno. Se la stufa è esposta al Sole, allora la luce solare viene riflessa da tutti i riflettori verso il punto centrale (fuoco), riscaldando la pentola. Il riflettore può essere un paraboloide realizzato, ad esempio, in lamiera d'acciaio o lamina riflettente. La superficie riflettente è solitamente realizzata in alluminio lucidato, metallo a specchio o plastica, ma può anche essere costituita da tanti piccoli specchi piatti attaccati alla superficie interna del paraboloide. A seconda della lunghezza focale desiderata, il riflettore può assumere la forma di una ciotola profonda in cui è completamente immersa la padella con il cibo (lunghezza focale corta, i piatti sono protetti dal vento) o un piatto poco profondo se la padella è installata a il punto focale ad una certa distanza dal riflettore.
Tutti i forni a riflettore utilizzano solo l'irraggiamento solare diretto e quindi devono essere costantemente orientati verso il sole. Ciò complica il loro funzionamento, in quanto rende l'utente dipendente dalle condizioni meteorologiche e dal dispositivo di controllo. Vantaggi dei forni a specchio:
Questi vantaggi sono accompagnati da alcuni svantaggi:
La difficoltà di maneggiare questi forni, unita al fatto che il cuoco deve stare al sole, è il motivo principale della loro scarsa popolarità. Ma in Cina, dove tradizionalmente la cottura richiede calore e potenza elevati, sono molto diffusi. Potenza termica dei forni solari La resa termica di un forno solare è determinata dalla quantità di radiazione solare, dalla superficie assorbente di lavoro del forno (tipicamente compresa tra 0,25 m2 e 2 m2) e dalla sua efficienza termica (tipicamente 20-50%). La tabella confronta i valori tipici di area, rendimento e potenza per un forno a cassetta e un forno a riverbero. Valori standard per area, efficienza e resa del forno a cassetta e del forno a riverbero
Di norma, i forni a riflettore hanno una superficie di lavoro molto più ampia rispetto ai forni a cassone. Di conseguenza, sono molto più potenti, in grado di far bollire più acqua, cuocere più cibo o lavorare quantità comparabili in meno tempo. D'altra parte, la loro efficienza termica è inferiore perché le stoviglie si raffreddano sotto l'influenza dell'atmosfera. Nei paesi tropicali e subtropicali, puoi aspettarti tempo sereno e normale luce diurna quasi tutto l'anno. Intorno a mezzogiorno, quando l'irraggiamento solare totale raggiunge i 1000 W/m2, è abbastanza realistico contare su una resa termica di 50-350 W, a seconda del tipo e delle dimensioni della stufa. La quantità di radiazione al mattino e durante il giorno è naturalmente inferiore e non può essere completamente compensata dal sistema di inseguimento solare. Per confronto, bruciare 1 kg di legna secca produce circa 5000 watt volte l'efficienza termica della stufa (15% per un focolare primitivo e 25-30% per una stufa migliorata utilizzata nei paesi in via di sviluppo). La potenza termica che raggiunge effettivamente le stoviglie è quindi di 750-1500 watt. La quantità di radiazione solare è nettamente ridotta quando è nuvoloso e durante la stagione delle piogge. In condizioni di mancanza di irraggiamento diretto, un forno solare non è adatto a nient'altro che mantenere caldi i cibi cotti. Il punto debole dei forni solari (indipendentemente dal tipo) è che nelle giornate nuvolose e piovose (2-4 mesi all'anno per la maggior parte dei paesi in via di sviluppo) il cibo deve essere cotto con mezzi convenzionali: legna, gas o bruciatore a kerosene. Irraggiamento solare e stufe Il prerequisito principale per l'utilizzo di successo di un forno solare è un'illuminazione adeguata con un numero limitato di giorni nuvolosi durante tutto l'anno. La durata e l'intensità dell'irraggiamento solare devono consentire l'utilizzo del forno solare per periodi prolungati. Mentre in Europa centrale la cottura solare è possibile in una soleggiata giornata estiva, per un forno solare è auspicabile un'energia solare minima di 1500 kWh/m2 all'anno (corrispondente a un'insolazione giornaliera media di 4 kWh/m2). Ma le medie annuali a volte possono essere fuorvianti. Una condizione essenziale per l'idoneità di un forno solare è un clima estivo stabile, ovvero periodi regolari e prevedibili di giorni senza nuvole. Le risorse di energia solare nei diversi paesi differiscono in modo significativo anche all'interno della fascia tropicale nei paesi del terzo mondo. Ad esempio, la radiazione solare nella maggior parte delle regioni dell'India è considerata molto buona in termini di utilizzo dell'energia solare. La quantità media di energia solare è compresa tra 5 e 7 kWh/m2 al giorno, a seconda della regione. In gran parte del paese, l'illuminazione è minima durante la stagione delle piogge e quasi altrettanto bassa nei mesi di dicembre e gennaio. Il clima e il potenziale solare del Kenya sono favorevoli all'utilizzo dei forni solari. Il Kenya si trova vicino all'equatore e quindi ha un clima tropicale. Nella capitale, Nairobi, la quantità di energia solare varia dai 3,5 kWh/m2 al giorno di luglio ai 6,5 kWh/m2 al giorno di febbraio, mentre nelle altre zone rimane pressoché invariata (6,0 - 6,5 kWh/m2 al giorno a Lodwar ). La radiazione solare a Nairobi consente di cucinare con l'energia solare nove mesi all'anno (eccetto giugno-agosto). Nelle giornate nuvolose o nebbiose, invece, bisogna affidarsi ai carburanti tradizionali. Tuttavia, nella provincia di Lodwar, i forni solari possono essere utilizzati tutto l'anno. Forni solari per i paesi in via di sviluppo Lo scopo dell'utilizzo dei forni solari è senza dubbio quello di risparmiare energia a fronte di una doppia crisi energetica: una crisi dei poveri, consistente in una crescente carenza di legna da ardere, e una crisi energetica nazionale, che aumenta la pressione sulla sua bilancia dei pagamenti.
Rispetto ad altri paesi, i paesi in via di sviluppo consumano pochissima energia. Ad esempio, il tasso di consumo energetico pro capite in India nel 1982 - 7325 GJ - era uno dei più bassi al mondo. Ma il consumo energetico del paese sta crescendo quasi il doppio del suo prodotto nazionale lordo. Lo stesso sta accadendo in altri paesi in via di sviluppo. La maggior parte delle persone nei paesi in via di sviluppo ottiene la maggior parte della propria energia da fonti non commerciali: dalle tradizionali risorse energetiche locali, attraverso il lavoro fisico. Semplicemente non possono permettersi di acquistare la giusta quantità di energia prodotta commercialmente. La logica conseguenza di ciò è la relativa mancanza di carburante per i poveri, il cui tenore di vita è ulteriormente degradato. I forni solari sono un passo verso il miglioramento delle loro condizioni di vita. Di tutta la "maggioranza povera" degli abitanti dei paesi del terzo mondo, i forni solari dovrebbero essere utilizzati principalmente dalla popolazione rurale. Quanta energia hai bisogno per cucinare il cibo Il fabbisogno giornaliero di combustibile dipende dal tipo di alimento cucinato e dalla sua quantità. Un residente di un paese in via di sviluppo brucia, in media, 1 tonnellata di legna da ardere all'anno. Una tipica famiglia indiana necessita di 3-7 kg di legna da ardere al giorno; nelle regioni più fresche, la quantità giornaliera di legna da ardere per una famiglia è di quasi 20 kg in inverno e di 14 kg in estate. Nel sud del Mali, la famiglia media (di 15 persone) brucia circa 15 kg di legna da ardere al giorno. Uno studio condotto in un campo profughi afghano in Pakistan ha dimostrato che il fabbisogno giornaliero di legna da ardere arriva fino a 19 kg per famiglia. Più della metà della legna in una casa tipica viene utilizzata per cuocere il pane, il resto per cuocere altri cibi. In inverno, ovviamente, è necessaria più legna da ardere. Anche se la quantità di energia necessaria per cucinare varia, i fornelli solari offrono un notevole risparmio energetico. L'obiettivo primario dei forni solari è quello di ridurre la necessità di legna da ardere, che è ancora il combustibile più importante per cucinare. Il problema è che il legno è poco costoso rispetto al cherosene, al gas in bombole e all'elettricità. Il crescente taglio incontrollato di alberi per uso proprio e per la vendita è la principale causa di deforestazione, espansione del deserto, erosione del suolo, abbassamento del livello delle acque sotterranee e ha un impatto negativo a lungo termine sull'equilibrio ecologico. Gli scarsi resti di foreste in Pakistan e la dilagante deforestazione in Kenya sono la prova che i timori al riguardo non sono esagerati. Se la deforestazione in Sudan non rallenta, non ne rimarrà nulla entro il 2005. In generale, è improbabile che i forni solari diano un grande contributo all'energia nazionale. Tuttavia, possono migliorare significativamente le condizioni di vita dei poveri, aiutarli a superare la loro personale crisi energetica.
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