Экология потребления.Наука и техника:Успешное использование солнечных печей (плит) отмечалось в Европе и Индии уже в 18-м веке. Солнечные плиты и духовые шкафы поглощают солнечную энергию, превращая ее в тепло, которое накапливается внутри замкнутого пространства.

Успешное использование солнечных печей (плит) отмечалось в Европе и Индии уже в 18-м веке. Солнечные плиты и духовые шкафы поглощают солнечную энергию, превращая ее в тепло, которое накапливается внутри замкнутого пространства. Поглощенное тепло используется для варки, жарки и выпечки. Температура в солнечной печи может достигать 200 градусов Цельсия.

Ящичные солнечные печи

Ящичные солнечные печи состоят из хорошо изолированной коробки, окрашенной внутри в черный цвет, в которую помещают черные кастрюли с едой. Коробка накрывается двухслойным "окном", которое пропускает солнечное излучение в ящик и удерживает тепло внутри. Вдобавок к нему крепится крышка с зеркалом на внутренней стороне, которая, будучи откинутой, усиливает падающее излучение, а в закрытом виде улучшает теплоизоляцию печи.

Основные преимущества ящичных солнечных печей:

• Используют как прямое, так и рассеянное солнечное излучение.
• В них можно нагревать одновременно несколько кастрюль.
• Они легки, портативны и просты в обращении.
• Им не нужно поворачиваться вслед за Солнцем.
• Умеренные температуры делают помешивание не обязательным.
• Еда остается теплой целый день.
• Их легко изготовить и отремонтировать, используя местные материалы.
• Они относительно недороги (по сравнению с другими типами солнечных печей).

Присущи им, конечно, и некоторые недостатки:

• С их помощью можно готовить только в дневное время.
• Из-за умеренной температуры на приготовление пищи требуется продолжительное время.
• Стеклянная крышка приводит к значительным потерям тепла.
• Такие печи "не умеют" жарить.

Благодаря своим преимуществам, солнечные печи-ящики являются наиболее распространенным видом солнечных печей. Они бывают разных видов: промышленного производства, кустарные и самодельные; формой могут напоминать плоский чемоданчик или широкий низкий ящик. Бывают и стационарные печи, сделанные из глины, с горизонтально расположенной крышкой (в тропических и субтропических районах) или наклонной (в умеренном климате). Для семьи из пяти человек рекомендуются стандартные модели с площадью апертуры (входной площади) около 0,25 м2. В продаже встречаются и более крупные варианты печей -- 1 м2 и более.

Так как тепло, поглощенное внутренней поверхностью коробки, должно передаваться кастрюлям, лучший материал для коробки - алюминий, обладающий высокой теплопроводностью. К тому же, алюминий не подвержен коррозии. Например, стальной ящик, даже с гальваническим покрытием, не может долго противостоять горячей и влажной среде внутри печи в процессе приготовления пищи. Листовая же медь слишком дорога.

Снаружи коробки нельзя прикреплять металлические детали, которые могут создать тепловые мостики. Теплоизоляционным материалом может служить стекло, синтетическая вата или какой-нибудь природный материал (шелуха арахиса, кокосовых орехов, риса, кукурузы и т. д.). Какой бы материал ни использовался, он должен оставаться сухим.

Крышка печи может состоять из одного или двух стекол с воздушной прослойкой. Расстояние между двумя слоями стекла обычно составляет 10-20 мм. Исследования показали, что использование прозрачного материала с ячеистой структурой, который делит внутреннее пространство на маленькие вертикальные ячейки, может существенно уменьшить теплопотери печи, таким образом увеличивая ее эффективность. Внутреннее стекло подвергается термическому воздействию, поэтому часто используется закаленное стекло; или же оба слоя могут состоять из обычного стекла толщиной около 3 мм.

Внешняя крышка солнечной печи является отражателем, который усиливает падающее излучение. Отражающей поверхностью может служить обычное стеклянное зеркало, пластмассовый лист с отражающим покрытием или небьющееся металлическое зеркало. В крайнем случае, можно использовать фольгу от сигаретных пачек.

Внешняя коробка солнечной печи может быть изготовлена из дерева, стеклопластика или металла. Стеклопластик легок, недорог и водостоек, но не очень долговечен в условиях непрерывного использования. Древесина прочнее, но тяжелее и более подвержена порче из-за влажности. Алюминиевые листы в сочетании с деревянными креплениями образуют наиболее качественную поверхность, устойчивую к механическим воздействиям, перепадам температуры и влажности. Армированная алюминием деревянная коробка наиболее прочная, но она стоит дороже и достаточно тяжелая, к тому же ее изготовление требует времени.

Производительность стандартной солнечной печи с площадью апертуры 0.25 м2 достигает около 4 кг пищи в день, т.е. достаточна для семьи из пяти человек.

Пиковая температура внутри солнечной печи может достигать более 150 оC в солнечный день в тропиках; это примерно на 120 оC выше температуры окружающего воздуха. Так как вода, содержащаяся в продуктах питания, не нагревается выше 100 оC, то температура внутри наполненной печи всегда будет соответственно ниже.

Температура в солнечной печи резко понижается, когда в нее помещают посуду с пищей. Важно и то, что температура остается значительно ниже 100 оC большую часть времени приготовления. Но температура кипения 100 оC не нужна для приготовления большинства овощей и каш.

Среднее время приготовления пищи в солнечной печи составляет 1-3 часа в хороших солнечных условиях и умеренной загрузки. Использование тонкостенных алюминиевых кастрюль значительно сокращает время приготовления по сравнению с посудой из нержавеющей стали. Кроме того, влияют и такие факторы:

• Время приготовления сокращается в условиях большой освещенности, и наоборот.
• Высокая температура окружающего воздуха сокращает время приготовления, и наоборот.
• Небольшой объем пищи за одно приготовление снижает время готовки - и наоборот.

Зеркальные печи (с отражтелем)

Простейшая зеркальная печь представляет собой параболический рефлектор и подставку для кастрюли, расположенную в фокусе печи. Если печь выставлена на Солнце, то солнечный свет отражается от всех рефлекторов в центральную точку (фокус), нагревая кастрюлю. Рефлектор может представлять собой параболоид, изготовленный, например, из листовой стали или отражающей фольги. Отражающая поверхность обычно изготовлена из полированного алюминия, зеркального металла или пластика, но может состоять также из множества маленьких плоских зеркал, прикрепленных к внутренней поверхности параболоида. В зависимости от нужного фокусного расстояния, рефлектор может иметь форму глубокой миски, в которую полностью погружается кастрюля с едой (короткое фокусное расстояние, посуда защищена от ветра) или мелкой тарелки, если кастрюля устанавливается в фокусной точке на определенном расстоянии от рефлектора.

Все печи-отражатели используют только прямое солнечное излучение, и поэтому должны постоянно поворачиваться за Солнцем. Это усложняет их эксплуатацию, так как ставит пользователя в зависимость от погоды и регулирующего устройства.

Преимущества зеркальных печей:

• Способность достигать высоких температур и, соответственно, быстрое приготовление пищи.
• Относительно недорогие модели.
• Некоторые из них могут служить также для выпечки.

Перечисленным достоинствам сопутствуют и некоторые недостатки:

• В зависимости от фокусного расстояния, печь должна поворачиваться за Солнцем примерно каждые 15 минут.
• Используется только прямое излучение, а рассеянный солнечный свет теряется.
• Даже при небольшой облачности возможны большие потери тепла.
• Обращение с такой печью требует определенного навыка и понимания принципов ее действия.
• Отраженное рефлектором излучение очень ярко, слепит глаза, и может привести к получению ожога при контакте с фокальным пятном.
• Приготовление пищи ограничивается дневными часами.
• Повару приходится работать на жарком солнце (за исключением печей с фиксированной фокусировкой).
• Эффективность печи в большой степени зависит от изменяющейся силы и направления ветра.
• Блюдо, приготовленное днем, к вечеру остывает.

Сложность обращения с этими печами в сочетании с тем фактом, что повар вынужден стоять на Солнце, является главной причиной их невысокой популярности. Но в Китае, где приготовление еды традиционно требует высокой температуры и мощности, они широко распространены.

Тепловая мощность

Тепловая мощность солнечной печи определяется количеством солнечной радиации, рабочей поглощающей поверхностью печи (обычно между 0,25 м2 и 2 м2) и ее термическим КПД (обычно 20-50%). В таблице сравниваются типичные значения площади, эффективности и мощности для ящичной печи и печи-отражателя.

Стандартные значения площади, эффективности и производительности ящичной печи и печи-отражателя

Как правило, печи-рефлекторы имеют гораздо большую рабочую поверхность, чем ящичные. Следовательно, они намного мощнее, на них можно кипятить больше воды, готовить больше еды, или обрабатывать сопоставимые количества за меньший промежуток времени. С другой стороны, их тепловая эффективность ниже, потому что посуда остывает под воздействием атмосферы.

В тропических и субтропических странах можно рассчитывать на ясную погоду и нормальную ежедневную освещенность почти круглый год. Около полудня, когда суммарная солнечная освещенность достигает 1000 Вт/м2, вполне реально рассчитывать на тепловую мощность в 50-350 Вт, в зависимости от типа и размера плиты. Количество излучения утром и в дневные часы, естественно, ниже и не может полностью компенсироваться системой слежения за Солнцем.

Для сравнения: сжигание 1 кг сухой древесины производит приблизительно 5000 Вт, помноженные на термический КПД плиты (15 % для примитивного очага и 25-30 % для улучшенной кухонной плиты, используемой в развивающихся странах). Тепловая мощность, фактически достигающая посуды, составляет, таким образом, 750-1500 Вт.

Количество солнечной радиации резко снижается при облачности и в сезон дождей. В условиях нехватки прямого излучения солнечная печь непригодна ни для чего, кроме хранения готовой еды в теплом виде. Слабым местом солнечных печей (независимо от их типа) является то, что в облачные и дождливые дни (2-4 месяца в год для большинства развивающихся стран) пищу приходится готовить при помощи обычных средств: на дровах, газовой или керосиновой горелке.

Солнечное излучение и печи

Главной предпосылкой успешного использования солнечной печи является адекватная освещенность с небольшим числом облачных дней в течение года. Продолжительность и интенсивность солнечного излучения должны позволять использование солнечной печи в течение длительных периодов. В то время как в Центральной Европе приготовление пищи с использованием солнечной энергии возможно в солнечный летний день, для солнечной печи желательно минимальное количество солнечной энергии 1500 кВт·ч/м2 в год (что соответствует средней ежедневной инсоляции 4 кВт·ч/м2). Но среднегодовые показатели могут иногда вводить в заблуждение. Существенное условие для пригодности солнечной печи - это стабильная летняя погода, то есть регулярные, предсказуемые периоды безоблачных дней.

Ресурсы солнечной энергии в разных странах существенно отличаются даже в пределах тропического пояса в странах третьего мира. К примеру, солнечное излучение в большинстве регионов Индии считается очень хорошим с точки зрения использования солнечной энергии. Среднее количество солнечной энергии составляет от 5 до 7 кВт·ч/м2 в день в зависимости от региона. На большей части территории страны освещенность достигает минимума в течение сезона дождей и почти так же мала в течение декабря и января.

Климат и солнечный потенциал Кении благоприятны для использования солнечных печей. Кения расположена близко к экватору и поэтому имеет тропический климат. В столице страны Найроби количество солнечной энергии составляет от 3,5 кВт·ч/м2 в день в июле до 6,5 кВт·ч/м2 в день в феврале, а в других областях остается практически неизменной (6,0 - 6,5 кВт·ч/м2 в день в провинции Лодвар). Солнечная радиация в Найроби позволяет готовить пищу с помощью солнечной энергии девять месяцев в году (кроме июня-августа). С другой стороны, в облачные или туманные дни приходится полагаться на традиционные виды топлива. Однако, в провинции Лодвар солнечными печами можно пользоваться круглый год.

Солнечные печи для развивающихся стран

Цель использования солнечных печей, несомненно, заключается в экономии энергии в условиях двойного энергетического кризиса: кризис бедных слоев населения, заключающийся в возрастающей нехватке дров, и кризис национальной энергетики - возрастающее давление на ее платежный баланс.

По сравнению с другими странами, развивающиеся страны потребляют очень мало энергии. К примеру, норма потребления энергии на душу населения в Индии в 1982 году - 7325 ГДж - была одной из наименьших в мире. Но уровень потребления энергии этой страны растет почти в два раза быстрее, чем ее валовой национальный продукт. То же самое происходит и в других развивающихся странах.

Большинство жителей развивающихся стран получает основную часть потребляемой ими энергии из некоммерческих источников: из традиционных местных ресурсов энергии, за счет своего физического труда. Они просто не могут позволить себе купить нужное количество коммерчески производимой энергии.

Логическое следствие этого - относительная нехватка топлива для бедных слоев населения, чей уровень жизни в результате еще далее ухудшается. Солнечные печи - это шаг на пути к улучшению условий их жизни.

Из всего "бедного большинства" жителей стран третьего мира, солнечные печи должны в первую очередь использоваться сельским населением.

Сколько нужно энергии для приготовления пищи

Ежедневная потребность в топливе зависит от того, какая пища готовится и от ее количества. Житель развивающейся страны сжигает, в среднем, 1 тонну дров в год. Типичной индийской семье нужны 3-7 кг дров в день; в более прохладных регионах ежедневное количество дров для одной семьи составляет почти 20 кг зимой и 14 кг летом. На юге Мали среднестатистическая семья (состоящая из 15 человек) сжигает около 15 кг дров в день. Исследование, проведенное в лагере афганских беженцев в Пакистане, показало, что ежедневная потребность в дровах там составляет до 19 кг на семью. Более половины дров в типичном домашнем хозяйстве уходит на выпечку хлеба, остальные - на приготовление другой пищи. Зимой, естественно, дров требуется больше.

Несмотря на то, что количество энергии, необходимое для приготовления пищи, является разным, солнечные печи дают значительную экономию энергии. Первоочередная задача солнечных печей - снижение потребности в дровах, которые до сих пор являются важнейшим топливом для приготовления пищи. Проблема заключается в том, что древесина недорога по сравнению с керосином, баллонным газом и электричеством. Возрастающая неконтролируемая вырубка деревьев для собственных нужд и на продажу является основной причиной исчезновения лесов, расширения пустынь, эрозии почвы, снижения уровня подземных вод, и оказывает долгосрочное неблагоприятное воздействие на экологический баланс. Скудные остатки лесов в Пакистане и безудержная вырубка лесов в Кении служат доказательством того, что страхи по этому поводу не преувеличены.

В целом, солнечные печи вряд ли могут внести большой вклад в национальную энергетику. Однако они могут весьма существенно улучшить условия жизни бедняков, помочь им преодолеть личный энергетический кризис.

Солнечные печи бывают разных форм и размеров. Приведем несколько примеров: духовой шкаф, печь-концентратор, рефлектор, солнечный пароварочный аппарат и т.д. При всем разнообразии моделей, все печи улавливают тепло и удерживают его в теплоизолированной камере. В большинстве моделей солнечный свет непосредственно воздействует на пищу.