?

Log in

No account? Create an account
Previous Entry Share Next Entry
Готовить еду на энергии Солнца. Yes, we can.
Я
eternele




Недавно я писала про экологичные дома - с низким энерго- и водопотреблением, использующие возобновляемые ресурсы. В своих изысканиях я наткнулась на концепцию off-the-grid - автономности проживания, которая помимо энерго- и водоавтономности так же включает в себя пищевую и отходную автономность. Идеи экологичности и автономности близки моему сердцу, но начать я решила с малого - со снижения энергопотребления. Главная статья расходов в счёте за электричество - это отопление. Вторым по списку идёт расход на нагрев воды, а третьим - на приготовление пищи. Первые два пункта вроде как можно уменьшить хорошей изоляцией и тепловым насосом. Про третье я нашла интересное:солнечные печи.

Немножко физикоматематики для затравки. Плотность солнечной энергии на поверхности Земли в хороший солнечный день близко к экватору в полдень, грубо говоря, составляет около одного киловатта на квадратный метр. Это количество зависит от времени суток, состояния атмосферы (облака, пыль, газ), времени года. Например, вчера в Гренобле было 0,7kW/m2 в 9 утра и дошло до 0,9kW/m2 в полдень. Гренобльский полдень, кстати, наступает в 13:40 по местному времени. Не спрашивайте.

Если вы не Копенгаген в киловаттах, для сравнения, на моей электрической духовке написано, что её мощность - 3kW. Но это номинальная, потребляемая из розетки. Реальная, которую она отдает на приготовление пищи, не превышает 0,3kW. Смекаете? На один квадратный метр Земли попадает в два-три раза больше солнечной энергии, чем в электрической духовке. Почему же мы никогда не запекаемся на солнце до состояния буженины? Причин несколько.

Самая главная - плотность энергии. Чтобы использовать солнечную энергию на приготовление пищи, надо её концентрировать.  Самый эффективный способ - параболическое зеркало, концентрирующее энергию в одной точке. Например, такое:



Чувак на видео режет металл, ага. Самый простой способ получить такое зеркало - надыбать где-нибудь параболическую антенну и обклеить зеркальной пленкой. У нас на онлайн барахолке можно за 20 евро купить антенну диаметром 70 см, то есть, максимальная теоретическая мощность - 0,3kW.

Но мне такую пожароопасную штуку страшно использовать в квартире. Поэтому я заинтересовалась другой идеей - солнечным аналогом духового шкафа. Это хорошо изолированный ящик с прозрачной стенкой, в котором помимо концентрации энергии ещё и задействован парниковый эффект. Солнечная энергия проходит сквозь прозрачную крышку, отражается от стенок, нагревает черный объект внутри, а инфракрасное излучение не выходит обратно.

Коммерческий солнечный духовой шкаф можно купить за 300 евро. Забавно, что вообще-то вопрос использования солнечной энергии для приготовления пищи очень остро стоит в странах Африки, где много солнца и мало другого топлива, а леса вырублены белыми благодетелями. И 300 евро для них - астрономическая сумма. Поэтому множество грантов в разных странах было выделено на то, чтобы придумать самую простую, эффективную и дешевую солнечную печь. Вот такой дизайн, например, выиграл Financial Times and HP Climate Change Challenge:



По словам создателя, две картонные коробки, оргстекло, алюминиевая фольга и покраска черной краской стоят 5 евро. Странно, потому что мне один лист оргстекла размером 50 см на 50 см обошелся в 8 евро, но допустим. Победитель должен был произвести 2,5 млн таких печей в Найроби, но как-то всё проебал. Чувак утверждал, что печь может достигать 165 градусов Цельсия и кипятит десять литров воды за два часа.

Воодушевленная таким примером, я сделала свою первую печь из говна и палок à l’arrache, как говорят французы. Я взяла кубическую картонную коробку 30 на 30 на 30 см, обклеила изнутри алюминиевой фольгой, засунула в другую коробку 40 на 40 на 40 см, и проложила пространство между двумя коробками старой одеждой. Оргстекла у меня на тот момент не было, я накрыла коробку пластиковым пакетом для выпечки. Чтобы оценить примерную мощность печи, я засунула в нее темную кастрюлю с литром воды, накрытую ещё одним пластиковым пакетом. В хороший солнечный день в полдень я выставила ее на балкон. За полчаса температура воды поднялась с 32°C до 45°C и застыла на месте. Температура окружающей среды была 15°C.

Чтобы нагреть литр воды на один градус Цельсия (Кельвина), нужно примерно 4kJ энергии. То есть, на 15 градусов нагрева нужно 60kJ. Кастрюлей можно пренебречь, потому что теплоемкость металла в десять раз меньше воды, а кастрюля в два раза легче литра воды. Отсюда можно вывести мощность моей печи: 60kJ/1800s~30W. Энергия солнца, приходящаяся на площадь прозрачной стенки печи: 900W/m2*0,3m*0,3m=81W. То есть, КПД моей печи составил 30W/81W*100%= 37%. Отлично, я считаю, для начала.

Меня заинтересовало, что вода застыла на отметке в 45 градусов. Я начала забуриваться в библиографию и расчеты и вывела приближенную, но очень эффективную формулу, которая помогает понять скорость нарастания температуры и её максимальную величину. Если поступление энергии постоянно, а потери тепла в печи растут с температурой, то в какой-то момент потери становятся равными поступлению энергии. В этот момент температура перестает расти. Потери тепла идут тремя путями: теплопроводность поверхностей, конвекция и излучение. Конвекции я постаралсь избежать, заделав все щели алюминиевым скотчем. Инфракрасное излучение, по идее, должно блокироваться пластиковыми пакетами, но я подозреваю, что всё-таки не очень. То есть, главный источник потерь – теплопроводность поверхностей. По закону теплопроводности Фурье потери L=U(T-Text), где U – коэффициент теплопроводности поверхности, T – температура внутри печи, Text – температура окружающей среды. Чтобы нагреть один литр воды на dT градусов, нужна теплота dQ=CdT. Такую теплоту даст печь мощностью P за время dt. При каждой температуре печи T реальная мощность печи будет Preal=Ptheor-U(T-Text). Таким образом, за время dt печь передаст энергию:
CdT= dt(Ptheor-U(T-Text))

И скорость увеличения температуры равняется:
dT/dt= (Ptheor-U(T-Text))/C

Когда T=Text, скорость роста температуры равна dT/dt=Ptheor/C и не зависит от потерь. То есть, чем больше мощность, тем быстрее будет нагреваться продукт.Температура перестает расти, когда dT/dt=0, и в этот момент Tmax=Text+Ptheor/U.

Получается, максимальная температура, которую может достичь наша печь, зависит как от температуры среды, так и от соотношения теоретической мощности печи Ptheor к теплопроводности ее поверхности U. В моем случае Tmax=45°C, Text=15°C, значит, Ptheor/U=30. Как я выше посчитала, Ptheor=30W, тогда теплопроводность U=1W/°C. Теплопроводность печи U складывается из теплопроводности картонных стен и теплопроводности прозрачной крышки, и большая часть теплопотерь приходится именно на крышку.

Напрашивается вроде бы очевидный вывод: надо увеличивать мощность и уменьшать потери. Как? Мощность пропорциональна площади верхней поверхности печи. Но теплопроводность печи пропорциональна всей поверхности печи. Так что если мы просто увеличим площадь печи, мы ускорим нагрев, но максимальная температура останется фиксированной, потому что P/U не изменится. Надо уменьшать потери.

Вторая печь, которую я построила, уже была 40 см на 40 см. Это дает площадь прозрачной крышки 0,16м2 против 0,09м2 в предыдущем случае и максимальную теоретическую мощность 144W при солнечной радиации в 900W/m2.



Коты мне старательно помогали. Особо пытливый ум у Галы:


Проводит инспекцию работ:


Но даже пугливая Клео проявила тягу к знаниям и вышла из сумрака:


На фото можно заметить, что печь скошена под углом 45°. Дело в том, что Гренобль находится на 45° северной широты. И даже летом, в солнцестояние, солнце не поднимается выше, чем на 60° градусов над горизонтом. А зимой не больше 30°. Энергия, которая попадает в печь будет пропорциональна площади крышки, умноженной на синус угла между солнечными лучами и крышкой. Поэтому для максимизации полученной энергии надо расположить крышку как можно более перпендикулярно к лучам. Если вы хотите рассчитать, под каким углом солнце на горизонтом у вас в разные дни, то формула такая:
cos(alpha)=cos(l)*cos(d)*cos(h)+sin(l)*sin(d)

где l – это широта, d=23,45*cos(360*(194+день от начала года)/365) и h=360*(час-полдень)/24, причем, полдень должен быть реальный, а не по часам.

Как я уже написала, нагретые тела излучают инфракрасное излучение. Длина волны этого излучения зависит от температуры нагретого тела.

Человеческое тело имеет температуру примерно 300 Кельвинов. Печь, в самом лучше случае, дойдет до 500 Кельвинов. То есть, нужно блокировать волны от 2 до 14 микрон.

На этом графике видно, что обычное стекло пропускает 80% видимого излучения (с длиной волны меньше 1 микрона) и блокирует волны выше 5 микрон:


Полиэстер (пластиковый пакет для запекания) пропускает инфракрасное излучение до 5 микрон и выше 10 микрон. Прошу заметить, что полистирен, из которого делают искусственное стекло, совсем не блокирует инфракрасное излучение, то есть, не подходит, как и полиэтилен.

Здесь показано, что оргстекло хорошо блокирует инфракрасное излучение:


Поэтому я заказала в интернете оргстекло 50 на 50 см.

В этот раз температура в печи поднялась за час до 70 градусов при температуре среды в 15 градусов и застыла. То есть, P=60W, два раза больше, чем в предыдущем случае, как теория и предсказывала. Но и P/U=55, увеличилось почти в два раза. Потери должны были увеличиться с площадью, и P/U должен был остаться неизменным, но он увеличился. Это значит, что мне удалось уменьшить потери в два раза. Я думаю, помогло оргстекло.

Дальше я читала, что черная поверхность помогает удерживать энергию. Я положила на дно печи противень, приподняв его на пробковых подставках, чтобы он не отдавал тепло стенке. Температура воды внутри печи поднялась до 77 градусов, а КПД увеличился до 42%. Это, кстати, очень горячо, и лучше использовать прихватки. Но всё равно далеко до температуры кипения воды. Я сначала расстроилась, а потом нашла вот такой график:



Градусы Цельсия на вертикалной шкале справа, а слева – Фаренгейт. Из этого графика понятно, что как только температура в центре курицы достигла 60 градусов Цельсия, достаточно 40 минут, чтобы убить бактерии. При температуре выше 74 градусов бактерии будут убиты почти мгновенно. Поэтому этой температуры достаточно для приготовления любого мяса. Всё-таки курицу я приготовить не решилась, но сделала свой первый рис. Получилось прикольно, похоже на ризотто – одновременно мягко и чуть хрустяще. Готовка при минимально возможной безопасной температуре (в районе 80°C) называется slow cooking и имеет своих адептов, которые утверждают, что еда так полезнее и вкуснее. Самое главное, что при такой температуре и долгом томлении вроде бы любое жесткое мясо становится мягчайшим.

Но я решила, что the sky is the limit, и приделала к своей печи отражатели (результат на самом первом фото в этом посте). Это помогает увеличить мощность печи при неизменных потерях. Гугл сказал, что лучший отражательный материал, как ни странно, не алюминий, а foylon. Я сходила в магазин гидропоники на 15 евро купила три квадратных метра foylon‘а.

Гала помогала размечать картон:



С помощью клея-спрея я наклеила фойлон на картон. Есть сайт, помогающий рассчитать угол их наклона в зависимости от высоты, но я предлагаю сделать высоту равной длине стекла и не париться. В таком случае угол со стеклом должен составлять 120 градусов.

Положила куриные крылышки в Pyrex, накрыла пакетом. Температура в печи поднялась до 120 градусов за два часа, и из куриных крылышек вышел сок и закипел. Но я хочу заметить, что угол падения солнечных лучей в случае с отражателями имеет принципиальное значение. Когда я наклонила печь на 5°, чтобы в печи не было тени, температура внутри почти мгновенно поднялась с 60 до 100 градусов Цельсия.  Я думаю, что если бы сделала это раньше, температура бы поднялась гораздо быстрее. Температурный зонд, воткнутый в крылья очень быстро показал 100 градусов, но я для верности подождала час, а зря. =) Крылья получились слишком мягкими и разваливались.

Теория предсказывала, что площадь поверхности увеличивается с отражателями в четыре раза, но реальная мощность увеличилась всего в два раза. Тут я догадалась посветить лазером в разные точки отражателя и обнаружила, что углы – совершенно бесполезная штука. Свет из них никогда не попадает на стекло. Гораздо эффективнее будут отражатели такой формы:



Но даже без углов теоретическая мощность должна была увеличиться в три раза, а увеличилась всего в два. Мне кажется, что я купила не очень удачный foylon и он рассеивает немало света.

Итак, следующие идеи по улучшению:
- переделать форму отражателей
- попробовать вместо foylon фольгу и space blanket
- попробовать двойное остекление
- сравнить черную кастрюлю и Pyrex

Короче, работы непочатый край. А вообще, когда я отшлифую все тонкости, то сделаю долговечную печь из фанеры, потому что один раз на мой картон попал дождь, и печь чуть не развалилась у меня в руках. Это поможет готовить летом на улице, не нагревая и так горячую квартиру.


  • 1

Монументальный труд. Прокоментирую еще.  А почему "не срашивайте" ?
"Гренобльский полдень, кстати, наступает в 13:40 по местному времени. Не спрашивайте."


При наличии понятия "часовой пояс", плюс "летнее время" наличие сдвига местного на каждом конкретном меридиане отличном от Гринвича, в общем -то вещь самоочевидная..


Мне лично вынесло мозг, что полдень совсем не полдень =)

Кстати фотографий с котиками не видно там, где они должны быть судя по тексту :/


Мы кстати делали практически из палок (дощечек от разбитых ящиков)  и фольги от сигаретных пачек подобные конструкции, чтобы опреснять воду Финского залива валяясь на пляже. Выход продукции  был символический, но горло промочит хватало😃


И сколько времени это занимало? До какой температуры нагревали?

для выпаривателя температура не особо критична, да и мерять было нечем :) Тем более там нужна полиэтиленовая пленка внутри для сбора конденсата -так что до 100 градусов греть нельзя- расплавишь. Да и нереально оно в Ленобласти на 60-ой параллели..Обычно использовали закопченую сажей консервную банку из под селедки ( плоскую и широкую) в качестве сосуда и она нагревалась так, что и тыльную сторону ладони обжигало ..а это значит и больше 50 градусов быть могло ..

По поводу «нереально на 60 параллели»: https://solrad-net.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/type_one_station_flux?site=Kuopio&nachal=2&level=1&place_code=10&data_type=flux&shef_code=P

Когда говорят об освещенности поверхности на определенной широте, имеют в виду горизонтальную освещенность. То есть, реальную, умноженную на косинус азимута солнца. На приведенном графике в Финляндии горизонтальная освещенность доходит до 600W/m2. То есть, прямая реальная освещенность гораздо больше, просто угол наклона солнечного сборника критичен. Я у себя в Гренобле заметила, что не нужно ждать полудня, чтобы выжать максимум из печи. При точном наклоне уже в 9 утра (за пять часов до реального полдня) скорость нагрева такая же, как в полдень.

A почему foylon изначально, выбрала, а не фольгу обычную, пищевую ? И дешевле заведомо и альбедо наверняка не сильно отличается особо. A поскольку подложка все равно картонная, то собственна= теплопроводность особой роли не играет. Или foylon он самоклеющийся ?
С двойным стеклом надо тонкое искать иначе не факт, что дополнительная теплоизоляция компенсирует потери, которое добавит поглощение + отражение в двух стеклах.

Изначально брала фольгу. Она рвется.

На практике наверное двойное стекло загерметизировать в пакет в домашних условиях потребует дополнительных усилий - много эпоксидки :). Ну либо делать легко-разборным. Потому, что негерметичный "стеклопакет" придется после каждой готовки (или через раз хотя бы) мыть - внутри будет жир оседать и пыль к конденсату липнуть.
"space blanket" - тоже неплох, по части прочности , но не уверен насчет термостойкости, т.е можно ли его в внутри камеры, использовать - пластики, особливо китайского производства при нагреве могут выделять малосовместимые с пищей вещи, - тут надо осторожно .. A на отражатели и на внутреннем слое выстелки - не проблема конечно. Ну и вместо старой одежды - упаковочный материал, который обычно накапливается от посылок с Aмазона :) И термометр интегрировать в конструкцию на термопаре.. И блютус- как сказано в ББТ - "everything gets better with bluetooth" ;)

Про термоодеялко пишут, что отражательный слой тонкий и неэффективный. Но я хочу сама все протестировать. Я не внутри, а на рефлекторы.

Bluetooth не выдержит температуры =).

Насчет термопары не поняла.

Про изоляцию я думаю реальную купить — теплолён, например. У меня еше мешок вермикулита завалялся, но он вроде в два раза хуже, и не знаю, как его аккуратно заделать, он сыпучий.

Очень интересная статья. И технология и чувак который все зафейлил :) У меня друг мечтает основать эко-деревню, думаю ему бы пригодились такие печи.

Я читала, что в США есть несколько эко-деревень, и они используют такие печи: https://www.dancingrabbit.org/ecological-cooking-solar-ovens-how-to-cook-with-sunshine/

(Deleted comment)
Про кайты интересно. Но журналисты такие журналисты. Вот что я нашла по-английски:
«KPS has successfully tested a 40 KW version, while the testing of a 500 KW version will commence in July/August (2017) in Scotland. It is also working on a 3 MW version with the aim of eventually ramping it up to 6 MW.»
https://idsa.in/idsacomments/harnessing-wind-power-through-kites_srdadwal_090617

Результатов теста для 500-киловаттной станции не нашла. Видимо, не очень.

Русские журналисты:
«Энергию ветра с помощью воздушных змеев уже начали вырабатывать в Шотландии. По расчетам экспертов, один такой змей шириной 40 метров вырабатывает от 2 до 3 МВт электроэнергии, так что ветряная станция из 1000 змеев по объему производимой энергии сможет сравниться с АЭС. »


Но всё равно, я считаю, это очень круто — 40 киловатт на кайт.



(Deleted comment)
(Deleted comment)
  • 1