Zonne-ovens zijn geen nieuw idee. Ontwerpers herkenden al in de 19e eeuw het potentieel van de energie van de zon om warmte te leveren voor koken en andere doeleinden en ontwierpen geschikte gereedschappen om deze energie te benutten. [1] Het is inderdaad waarschijnlijk dat zonne-energie al lang daarvoor werd gebruikt om te koken.
Zonne-ovens hebben veel potentiële voordelen, zowel voor de gebruiker als voor het milieu. Een veelgenoemd voordeel van zonne-ovens is dat ze de afhankelijkheid van gebruikers van brandstofbronnen voor het koken verminderen. Deze vermindering heeft een economisch voordeel voor de gebruiker door hun uitgaven aan brandstof te verminderen en ook een milieuvoordeel door ontbossing (in regio's waar hout wordt gebruikt als kookbrandstof) en de uitstoot van verbrandingsproducten in de atmosfeer te verminderen. Omdat een groot deel van het koken op basis van hout binnenshuis wordt uitgevoerd met slechte ventilatie, heeft zonne-koken ook het potentieel om het inademen van rook en gerelateerde gezondheidsproblemen te verminderen.
Door zijn lange geschiedenis en vele enthousiaste voorstanders, bezit zonnekoken al een grote hoeveelheid ontwerpinformatie. Dit project was bedoeld om bestaande ontwerpen aan te vullen door zich te richten op een zeer specifieke parameter: de hoek van het kookraam.
Zonne-ovens worden veel gebruikt. Zie Solar Box Cookers voor meer informatie.
Inhoud
- 1 Culturele kwesties
- 2 Ontwerpen voor zonnekooktoestellen
- 3 Bestaande ontwerpen
- 4 Projectmotivatie
- 5 Projectdoel
- 6 Modeltheorie
- 7 Thermodynamische analyse
- 8 Zonhoogte
- 9 Fresnel-reflectie
- 10 Simulatiesoftware
- 11 Overzicht en beperkingen
- 12 Invoerbestand
- 13 Uitvoer
- 14 Discussie en resultaten
- 15 Toekomstig werk
- 16 Conclusies
- 17 Referenties
- 18 Gerelateerde projecten
Culturele kwesties
Zoals altijd bij Appropriate Technology is het buitengewoon belangrijk om nauwlettend aandacht te besteden aan culturele kwesties. Verschillende auteurs hebben commentaar geleverd op culturele kwesties met betrekking tot de overdracht van technologie voor zonne-kooktoestellen. Ramon Coyle [2] begint zijn artikel nadrukkelijk door een onderwerp te bespreken dat vaak over het hoofd wordt gezien in discussies over culturele kwesties met betrekking tot technologieoverdracht: de cultuur van de westerse promotors zelf. Ramon merkt op dat, met name in de Verenigde Staten, de dominante cultuur groot optimisme en een bekrompen wereldbeeld aanmoedigt en geen waarde hecht aan nederigheid en geduld. Volgens Ramon kan optimisme "promotors van zonne-kooktoestellen in de VS ertoe verleiden om grootse plannen te lanceren met korte tijdschema's en te weinig onderzoek, planning en middelen."
Lokale culturele waardering is natuurlijk ook belangrijk. Bergler et al. bieden de anekdotische perspectieven van drie families als middel om de adoptie van zonne-kooktoestellen te onderzoeken. [3] Een van de families woont in landelijk India en kookt twee keer per dag op een hout-, mest- of kafbrandende buitenkachel: een keer om 11.00 uur en een keer om 17.00 uur. Een ander gezin woont in de buurt van een stedelijk gebied in Guatemala en heeft toegang tot het verbeterde fornuis van een vriend dat bijna alles kan branden en binnen staat. Ze eten hun middagmaal om 13.00 uur en hun avondmaaltijd, die veel gefrituurd voedsel bevat, om 18.00 uur. Deze verhalen zijn bedoeld om enkele mogelijke verschillen in de situatie te illustreren die van invloed kunnen zijn op de adoptie van zonne-kooktoestellen. Het gezin dat binnenshuis kookt, zal waarschijnlijk eerder de voordelen van zonne-koken opmerken in termen van luchtkwaliteit dan het gezin dat buitenshuis kookt. Het gezin dat 's avonds gefrituurd voedsel eet, kan moeite hebben met een zonne-kooktoestel dat niet hoge genoeg temperaturen bereikt om te frituren. De specifieke tijdstippen van de dag waarop de families koken, hebben gevolgen voor de keuze van het kooktoestel.
Ontwerpen voor zonnekooktoestellen
De ontwerpen van zonnekooktoestellen kunnen grofweg in drie categorieën worden ingedeeld: [4]
- Kooktoestellen in dozen
- Gebogen concentrator kooktoestellen
- Paneel kooktoestellen
Box cookers gebruiken het broeikaseffect om een hoge temperatuurbehuizing te creëren. [5] Box cookers vertrouwen niet op hoge concentratiegraden, maar vereisen goede isolatie om verhoogde temperaturen in een relatief groot volume te handhaven. Gebogen concentrator cookers gebruiken een reflecterend oppervlak, vaak parabolisch, om licht te verzamelen en het te concentreren op een klein gebied. Cookers op basis van concentratoren kunnen vaak veel hogere temperaturen bereiken dan box cookers, zij het in een kleiner gebied. Paneelcookers gebruiken elementen van de andere twee typen, vaak met opvouwbare panelen en glas of plastic om een broeikaseffect te creëren.
Bestaande ontwerpen
Er zijn een groot aantal ontwerpen van zonne-kooktoestellen gratis beschikbaar op het internet. Sommige hiervan zijn te vinden op Appropedia. De Solar Cooking Wiki, gerund door Solar Cookers International, is een andere opslagplaats.
Op Appropedia
- Een uitgebreid ontwerp voor een parabolische kookplaat met een installatie om te helpen bij het focussen
- Een parabolisch ontwerp met blikcomponenten als reflectoren
- Een interessant ontwerp voor een parabolische concentratorkoker, waarbij aluminiumplaat aan een satellietschotel is geklonken.
- Een overzicht van zonne-energie koken dat verband houdt met verschillende externe ontwerpen
Andere gratis ontwerpen
- CooKit , ontworpen door Solar Cookers International, is een paneelkooktoestel dat populair is geworden
- Matt West heeft zonne-ovens gebouwd met behulp van onder andere een oude barbecue en een diepvriezer
Gezien de beschikbaarheid van deze ontwerpen, was het doel van het project niet om nog een levensvatbaar ontwerp voor een zonnekooktoestel te ontwikkelen, maar om een specifiek aspect van het ontwerp van een zonnekooktoestel te bestuderen om te bepalen of er een optimaler ontwerp beschikbaar was.
Projectmotivatie
Een veelvoorkomende trend in veel discussies over de culturele geschiktheid van koken op zonne-energie is dat de tijden waarop mensen hun eten koken aanzienlijk verschillen van locatie tot locatie. Het is zeker niet zo dat de meeste gezinnen hun primaire maaltijd van de dag 's middags koken, of wanneer de zon het dichtst bij het zenit staat op de betreffende breedtegraad. Het is waarschijnlijk dat er een optimale raamhoek bestaat voor een zonne-oven die het mogelijk zou maken om de maximale temperatuur te bereiken op een bepaald punt van de dag.
Idealiter zou een fornuis ontworpen kunnen worden met een variabele vensterhoek, maar dit zou niet triviaal zijn om te implementeren en zou een andere faalmodus in het zonnefornuis introduceren. Daarom is aangenomen dat de meeste zonnefornuizen een vaste vensterhoek hebben. Deze aanname leidt bijvoorbeeld tot een afweging tussen optimale hoeken op het ene kookmoment versus het andere, of op de ene breedtegraad versus de andere.
Projectdoel
Gezien al het bovenstaande was het doel van het project om te bepalen of er een optimale raamhoek kon worden gevonden die koken in de ochtend en in de middag mogelijk zou maken in een zo breed mogelijke breedtegraadband. Om dit doel te bereiken, werd een simulatiesysteem in Java ontworpen om de temperaturen van het fornuis onder verschillende omstandigheden te voorspellen.
Modeltheorie
Thermodynamische analyse
De zonnekoker werd gemodelleerd met behulp van een eendimensionale thermodynamische analyse die rekening hield met geleiding en convectie. De methoden die werden gebruikt om beide effecten te modelleren, worden hieronder in detail besproken.
Convectie
Het algemene probleem van convectie is om te begrijpen hoe warmte wordt overgedragen tussen een (over het algemeen) bewegende vloeistof en een ander lichaam. De snelheid van warmteoverdracht is evenredig met het temperatuurverschil tussen de twee lichamen in kwestie, evenals een evenredigheid h, bekend als de convectiecoëfficiënt . [6]
- Q=H¯AS(TS−T∞){\displaystyle q={\bar {h}}A_{s}(T_{s}-T_{\infty })}
Lucht die over een vlakke plaat stroomt, vormt een grenslaag die dikker wordt naarmate de afstand stroomafwaarts van de plaatrand groter wordt. [7] Vloeistof in de grenslaag stroomt met een lagere snelheid ten opzichte van de plaat vergeleken met de vrije stroom. Ook bestaan er temperatuurgradiënten in de grenslaag, waardoor er een stationaire temperatuur T s op het oppervlak van de plaat kan ontstaan en een andere stationaire temperatuurT∞{\displaystyle T_{\infty}}
- H=−ikF∂T/∂en|en=0TS−T∞{\displaystyle h={\frac {-k_{f}\partiële {T}/\partiële {y}|_{y=0}}{T_{s}-T_{\infty }}}}
Omdat de temperatuurgradiënt sterk varieert met de positie langs de plaat, moet een gemiddelde waarde worden berekend om de totale warmtestroom te berekenen. In combinatie met een aantal niet-dimensionale relaties, maakt het bovenstaande de berekening mogelijk van de afhankelijkheid van de gemiddelde convectiecoëfficiënt van eigenschappen van de stroming. Incropera et al. [6] bepaalden dat de convectiecoëfficiënt als volgt kon worden berekend:
- H¯Ik=0,664ikIkRenX1/2PR1/3{\displaystyle {\bar {h}}_{L}=0,664{\frac {k}{L}}Re_{x}^{1/2}Pr^{1/3}}
Thermische weerstandsmethode
Door de vereenvoudigende aanname te maken dat alle geleidings- en convectieprocessen eendimensionaal zijn, is het mogelijk om een analogie met elektrische circuits toe te passen om de stationaire temperatuur in de kookplaat op te lossen. In de analogie komt warmtestroom overeen met elektrische stroom, komt temperatuur overeen met elektrisch potentieel en komt de thermische weerstand overeen met elektrische weerstand. De thermische weerstand van een element hangt af van het type warmteoverdrachtsproces (geleidend, convectief, stralend) en geometrische factoren. Thermische weerstanden voor geleiding en convectie worden hieronder gegeven. [6]
- RCOND=IkikA{\displaystyle R_{cond}={\frac {L}{kA}}}
- RCONv=1HA{\displaystyle R_{conv}={\frac {1}{hA}}}
Het circuit beschrijft drie parallelle paden tussen de binnenkant van de kookplaat (waarvan wordt aangenomen dat deze zich op een thermische evenwichtstemperatuur T b bevindt ) en de buitenkant (waarvan wordt aangenomen dat deze zich op een evenwichtstemperatuur T b bevindt).T∞{\displaystyle T_{\infty}}
De totale weerstand van het netwerk wordt hieronder weergegeven in termen van de weerstanden van de paden A, B en C, en de temperatuur van het fornuis wordt weergegeven in termen van de totale weerstand, q rad en de buitentemperatuur.
- RT=ABCAB+AC+BC{\displaystyle R_{T}={\frac {ABC}{AB+AC+BC}}}
- TB=QRADRT+T∞{\displaystyle T_{b}=q_{rad}R_{T}+T_{\infty}}
Erkend wordt dat de bovengenoemde analyse een vereenvoudigd beeld geeft van de warmteoverdracht die in het systeem plaatsvindt. De aanname van eendimensionale warmteoverdracht, hoewel waarschijnlijk geldig in het midden van elk oppervlak, valt weg waar de oppervlakken elkaar kruisen. Ook maken complexiteiten in de geometrie van het apparaat het moeilijk om zelfs dit vereenvoudigde model toe te passen. In werkelijkheid zouden de warmteoverdrachtskarakteristieken afhangen van de oriëntatie van de kookplaat ten opzichte van de gemiddelde stroomrichting. Deze karakteristiek werd echter als onbelangrijk beschouwd en er werd een gemiddelde genomen om afhankelijkheid van de oriëntatie van de kookplaat te elimineren. Ondanks de nadelen, maakt dit model nog steeds een schatting mogelijk van de temperaturen die in de kookplaat onder verschillende omstandigheden worden bereikt.
Straling
Bij het ontwerpen van het model werden de effecten van straling grotendeels genegeerd, omdat werd aangenomen dat de effecten verwaarloosbaar zouden zijn voor de temperaturen die de zonnekoker bereikte. Dit is echter mogelijk niet het geval.
Stralingseffecten kunnen worden toegeschreven aan de hieronder gegeven wet van Stefan-Boltzmann. De wet van Stefan-Boltzmann relateert het totale vermogen dat door een oppervlak wordt uitgestraald aan de temperatuur ervan. Het stralingsvermogen is ook gerelateerd aan de emissiviteit van het materiaal (de mate waarin het afwijkt van een ideaal zwart lichaam) en aan het oppervlak van het materiaal. De emissiviteit van gangbare bouwmaterialen (baksteen, hout, glas, enz.) varieert van ongeveer 0,8 tot 0,94. [8]
- P=AϵσT4,{\displaystyle \,P=A\epsilon \sigma T^{4}\,,}
- σ=5.670400×10−8JS−1M−2Ik−4,{\displaystyle \,\sigma =5,670400\keer 10^{-8}Js^{-1}m^{-2}K^{-4}\,,}
Gegeven een buitenoppervlaktetemperatuur van 80 °C en een emissiviteit van 1, zou de straling van het oppervlak 880 W/m 2 bedragen , een aanzienlijk bedrag in verhouding tot de zonneconstante van 1000 W/m 2 . De emissiviteit had in het model meegenomen moeten worden.
Zonhoogte
De positie van de zon aan de hemel kan worden gespecificeerd door twee hoeken: de azimuthoek, die de richting aangeeft van de normaal op het vlak van de horizon dat de zon snijdt (dit is equivalent aan de kompasrichting naar de zon) en de elevatiehoek, die de hoek aangeeft die de zonnestralen maken ten opzichte van het vlak van de horizon. Omdat werd aangenomen dat kooktoestellen wendbaar genoeg waren om te worden gedraaid als de azimuthoek varieert, werd de elevatiehoek behandeld als de enige zonneparameter van belang. De zonne-elevatiehoekθS{\ Displaystyle \ theta _ {\ mathrm {s} }}
- zondeθS=omdatHomdatδomdatϕ+zondeδzondeϕ{\displaystyle \,\sin \theta _{\mathrm {s}}=\cos h\cos \delta \cos \phi +\sin \delta \sin \phi \,}
waar
- θS{\ Displaystyle \, \ theta _ {\ mathrm {s} }}
is de elevatiehoek
- H{\weergavestijl \,h}
is de uurhoek, in de lokale tijd
- δ{\weergavestijl \,\delta }
is de huidige zonsdeclinatie (hoek tussen het equatoriale vlak en de zonnestralen)
- ϕ{\weergavestijl \,\phi }
is de lokale breedtegraad
De declinatiehoek kan eenvoudig worden berekend aan de hand van de kalenderdatum:
- zondeδ=zonde(23.45∘)zonde[360365(D−81)]{\displaystyle \,\sin \delta =\sin(23.45^{\circ })\sin \links[{\frac {360}{365}}(d-81)\rechts]\,}
![{\displaystyle \,\sin \delta =\sin(23.45^{\circ })\sin \links[{\frac {360}{365}}(d-81)\rechts]\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5cebf5c3d8cdb1745bea5f07a35fbf75d35d7c06)
waar
- D{\weergavestijl \,d}
is de dag van het jaar
- 23.45∘{\displaystyle \,23.45^{\circ }}
is de hellingshoek van de aardas
De uurhoek kan ook worden berekend uit de tijd van de dag via een redelijk eenvoudige formule. Zie dit artikel over de uurhoek voor meer informatie.
Fresnel-reflectie
Het effect van de zonnestralen die de zonnekoker onder verschillende hoeken raken, is uiterst belangrijk voor deze modelleringsoefening. Het reflectiegedrag van deze stralen werd gemodelleerd met behulp van de hieronder getoonde Fresnel-vergelijkingen. [10]
- RS=[N1omdatθi−N21−(N1N2zondeθi)2N1omdatθi+N21−(N1N2zondeθi)2]2{\displaystyle R_{s}=\links[{\frac {n_{1}\cos \theta _{i}-n_{2}{\sqrt {1-\links({\frac {n_{1}}{n_{2}}}\sin \theta _{i}\rechts)^{2}}}}{n_{1}\cos \theta _{i}+n_{2}{\sqrt {1-\links({\frac {n_{1}}{n_{2}}}\sin \theta _{i}\rechts)^{2}}}}}\rechts]^{2}}
- RP=[N11−(N1N2zondeθi)2−N2omdatθiN11−(N1N2zondeθi)2+N2omdatθi]2{\displaystyle R_{p}=\links[{\frac {n_{1}{\sqrt {1-\links({\frac {n_{1}}{n_{2}}}\sin \theta _{i}\rechts)^{2}}}-n_{2}\cos \theta _{i}}{n_{1}{\sqrt {1-\links({\frac {n_{1}}{n_{2}}}\sin \theta _{i}\rechts)^{2}}}+n_{2}\cos \theta _{i}}}\rechts]^{2}}
- R=(RS+RP)2{\displaystyle R={\frac {\links(R_{s}+R_{p}\rechts)}{2}}}
![{\displaystyle R_{s}=\links[{\frac {n_{1}\cos \theta _{i}-n_{2}{\sqrt {1-\links({\frac {n_{1}}{n_{2}}}\sin \theta _{i}\rechts)^{2}}}}{n_{1}\cos \theta _{i}+n_{2}{\sqrt {1-\links({\frac {n_{1}}{n_{2}}}\sin \theta _{i}\rechts)^{2}}}}}\rechts]^{2}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d35b873f78b8fa55d59cb4068548c8210d3a9edb)
![{\displaystyle R_{p}=\links[{\frac {n_{1}{\sqrt {1-\links({\frac {n_{1}}{n_{2}}}\sin \theta _{i}\rechts)^{2}}}-n_{2}\cos \theta _{i}}{n_{1}{\sqrt {1-\links({\frac {n_{1}}{n_{2}}}\sin \theta _{i}\rechts)^{2}}}+n_{2}\cos \theta _{i}}}\rechts]^{2}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2201a0fe047132c1990e72e10e927edab5edd205)
De bovenstaande vergelijkingen geven reflectiecoëfficiënten voor licht dat een grens tussen twee media passeert. R s geeft de coëfficiënt voor licht dat loodrecht op de interface is gepolariseerd en R p geeft de coëfficiënt voor licht dat parallel aan de interface is gepolariseerd. R geeft de coëfficiënt voor ongepolariseerd licht, waarbij n 1 en n 2 respectievelijk de brekingsindices van het eerste en tweede medium zijn enθi{\displaystyle \theta {}_{i}}
Om met de twee grenzen (lucht - glas en glas - lucht) om te gaan, werden de Fresnel-vergelijkingen eenvoudigweg twee keer toegepast. De brekingshoek bij de eerste interface werd berekend op basis van de wet van Snell en deze hoek werd meegenomen bij het berekenen van R bij de tweede interface. Er werd geen rekening gehouden met reflecties van de tweede orde bij het berekenen van de doorgelaten intensiteit, die werd gegeven door de onderstaande vergelijking.
Simulatiesoftware
Simulatiesoftware is geschreven in Java. Links naar simulatorbestanden vindt u hieronder:
Overzicht en beperkingen
Er zijn veel parameters die verband houden met het solar box cooker-model. Het model was echter bedoeld om de relatie tussen vijf kritische variabelen die verband houden met de temperatuur van het fornuis te demonstreren:
- Breedte
- Tijd van de dag
- Dag van het jaar
- Vensterhoek
- Kookplaattemperatuur
Vier van deze variabelen zijn onafhankelijk, dus de temperatuur die de kookplaat bereikt kan worden bepaald door de breedtegraad, tijd van de dag, dag van het jaar en vensterhoek te specificeren. Om een bruikbare tool te produceren, werd de software ontworpen om driedimensionale grafieken te produceren met vensterhoek op de x-as, breedtegraad, dag van het jaar of vensterhoek op de y-as en kookplaattemperatuur op de z-as.
Het moet vanaf het begin worden opgemerkt dat de kwantitatieve voorspellingen die door het model worden gedaan niet nauwkeurig zijn. Aanvankelijk werden de verschillende parameters die verband houden met warmteoverdracht in het systeem zo redelijk mogelijk geselecteerd (de meeste van deze aannames zijn zichtbaar in het invoerbestand). Op basis van deze waarden gaf het model echter extreem grote waarden voor de temperatuur van het kooktoestel. Daarom werd één enkele parameter aangepast om de resultaten op een redelijker bereik te schalen. De zo aangepaste parameter was de optische efficiëntie, het deel van het licht dat de doos binnenkomt (dat al gedeeltelijk is gereflecteerd/geabsorbeerd door het glas) dat door de dooswanden opnieuw wordt uitgezonden als infraroodstraling en in de doos wordt opgesloten. Kumar heeft ontdekt dat de optische efficiëntie van een zonne-boxkoker ongeveer 69% is. [11] Om de resultaten voor volledige bestraling (1000 W/m 2 invallend) op te schalen naar een temperatuur van 100 °C, werd de efficiëntie in dit model ingesteld op 2%.
Invoerbestand
Met het Input File kan de gebruiker de parameters en variabelen specificeren die van belang zijn voor het model. De Mode selecteert het type plot dat gegenereerd moet worden:
- Modus 1: Vensterhoek op de x-as (graden), Tijdstip op de y-as (uren), Kooktemperatuur op de z-as (°C)
- Modus 2: Vensterhoek op de x-as (graden), Breedtegraad op de y-as (graden), Kooktemperatuur op de z-as (°C)
- Modus 3: Vensterhoek op de x-as (graden), Dag van het jaar op de y-as (dagen), Kooktemperatuur op de z-as (°C)
Kennelijk staat het invoerbestand de gebruiker toe om het model te overspecificeren. Bijvoorbeeld, in alle modi wordt de Window Angle gevarieerd van 0° tot 60° om een plot te produceren. Daarom heeft het specificeren van een window angle geen effect op voorspellingen. Een ander voorbeeld: het specificeren van de Time of Day heeft geen effect in Mode 1, maar wel in Mode 2 en 3. De variabele dTGMT vertegenwoordigt de offset naar universele tijd en wordt gebruikt bij het berekenen van de hoek van de zon voor verschillende tijden van de dag, gemeten in een bepaalde tijdzone. dTGMT voor het gebied Kingston is -5.
Uitvoer
Het programma geeft drie bestanden uit: xout.txt, yout.txt en out.txt. Elk bestand bevat een mxn-matrix. out(i,j) vertegenwoordigt een bepaalde kooktemperatuur, die overeenkomt met de positie (xout(i,j), yout(i,j)). De gekleurde grafieken in deze sectie zijn gemaakt door deze gegevens te plotten met Matlab's pcolor-opdracht [pcolor(xout,yout,out)], maar de gegevens kunnen net zo goed worden gevisualiseerd met een open-source softwarepakket.
Discussie en resultaten
De grafiek rechts toont de temperatuur van het fornuis voor verschillende raamhoeken op verschillende tijdstippen van de dag voor Dakar, Senegal. De resultaten komen overeen met de intuïtieve verwachtingen: lagere raamhoeken leiden tot een hogere temperatuur van het fornuis tegen het middaguur en hogere hoeken leiden tot hogere kooktemperaturen in de ochtend en middag. Het is interessant om op te merken dat het mogelijk is om om 10:30 uur 's ochtends net zo'n hoge temperatuur te bereiken als om 1 uur 's middags, er is gewoon een andere raamhoek nodig.
De onderstaande grafieken zijn geïnspireerd door Bergler et al.'s case study van gebruikers van zonne-energiekooktoestellen op verschillende locaties over de hele wereld. De eerste twee grafieken geven temperaturen weer die kooktoestellen in Quetzaltenango, Guatemala om 13:00 uur en 18:00 uur op verschillende dagen gedurende het jaar kunnen bereiken. Deze tijden komen overeen met de door bewoners die aan de studie deelnamen, aangegeven voorkeurskooktijden. Om 13:00 uur is het duidelijk dat een optimale raamhoek ongeveer 21° zou zijn. Dit zou ervoor zorgen dat temperaturen van meer dan 90 °C in het kooktoestel het hele jaar door worden bereikt. Een hoek van 21 ° om 18:00 uur is echter veel minder ideaal en zou resulteren in een maximumtemperatuur van slechts 60 °C. Het kiezen van een acceptabele afweging tussen deze twee hoeken zou moeilijk zijn vanwege de resulterende lage temperaturen, en het is waarschijnlijk dat in deze regio een reflector zou moeten worden gebruikt om de temperatuur van het kooktoestel te verhogen.
De situatie voor Kizhmeni, een dorp in Tamil Nadu, India, is iets gunstiger voor de selectie van een zonne-oven. De twee plots vertonen dezelfde basisvormen als die in Quetzaltenango, maar het lijkt erop dat een raamhoek van ongeveer 35 ° zou resulteren in temperaturen die niet lager zijn dan 90 °C om 11 uur 's ochtends en temperaturen van ongeveer 80 °C gedurende het grootste deel van het jaar om 5 uur 's middags.
 |  |
 |  |
De grafiek rechts is gemaakt om een mogelijk gebruik van dit model te motiveren: optimaliseren voor vensterhoek over meerdere breedtegraden. Zoals duidelijk is uit de grafiek, zorgt een hoek van 35 ° die we hadden geselecteerd voor Kizhmeni (zuidelijke breedtegraden in de afbeelding rechts) ervoor dat temperaturen niet onder de 80 °C dalen bij gebruik op het subcontinent. Deze conclusie moet op andere locaties en op andere dagen van het jaar worden geverifieerd, maar suggereert dat enkele vensterhoeken kunnen worden gebruikt over relatief grote breedtegraden met goede resultaten.
Toekomstig werk
Zoals gezegd is dit model geen nauwkeurige weergave van een zonnesimulator. De temperaturen die door het model worden voorspeld, zijn veel te hoog om de fysieke omstandigheden te weerspiegelen zonder de optische efficiëntie kunstmatig aan te passen. Zoals ook werd gezegd, schiet het model met name tekort in het verwaarlozen van de stralingsverliezen van de kookplaat. Deze tekortkoming moet worden aangepakt. Bovendien moet het model worden vergeleken met verschillende boxcookerontwerpen die onder verschillende omstandigheden werken om betrouwbaardere voorspellingen te doen, idealiter met behulp van
Volgens het model wordt de ontwerpruimte gespecificeerd door 5 variabelen: breedtegraad, tijdstip van de dag, raamhoek, kooktemperatuur en dag van het jaar. Een uitgebreide implementatie van het model zou de gebruiker in staat stellen om ontwerpbeperkingen te specificeren in termen van een van de variabelen en de impact van deze beperkingen op de andere variabelen te beoordelen. Het zou de gebruiker ook in staat stellen om de raamhoek te optimaliseren voor deze verschillende ontwerpbeperkingen.
In theorie is dit niet moeilijk om te doen. In de praktijk zijn er veel uitdagingen. Er is een rekenkundige uitdaging om de temperatuur op elk tijdstip in het jaar te berekenen met een redelijke resolutie, op elke breedtegraad en met elke mogelijke raamhoek. Er is een uitdaging in termen van hoe gegevens met zoveel vrije variabelen op een nuttige manier kunnen worden weergegeven. Een potentiële implementatie zou de gebruiker in staat kunnen stellen om een grenstemperatuur (d.w.z. groter dan 100 °C), een tijdstip van de dag waarop de kookplaat moet werken en een bepaalde dag van interesse op te geven en vervolgens een grafiek te verkrijgen die vergelijkbaar is met de onderstaande. Zo'n grafiek zou zeer nuttig zijn bij het maken van een ontwerpafweging tussen optimaal vermogen op een bepaalde locatie en effectiviteit over een groot gebied.
Conclusies
Er werd een simulatiecode voor een zonnekoker ontworpen om de kokertemperaturen onder verschillende omstandigheden te voorspellen met als doel optimale raamhoeken te bepalen. De software voorspelde succesvol trends in kokertemperaturen, maar absolute temperaturen waren niet geloofwaardig vanwege de ontoereikendheid van het gebruikte thermodynamische model. Resultaten tonen aan dat onder bepaalde omstandigheden een redelijk compromis kan worden gesloten om een raamhoek te vinden die toepasbaar is op twee gewenste kooktijden. Specifiek voor de regio Tamil Nadu in India suggereert het model dat een raamhoek van 35 ° koken om 11.00 uur en om 17.00 uur mogelijk zou maken met boxtemperaturen die niet onder de 80 °C komen. Het model suggereert ook dat een enkele raamhoek toepasbaar kan zijn over een relatief groot bereik van breedtegraden. Het model moet worden verfijnd en gevalideerd tegen een fysieke boxkoker. Het model zou ook kunnen worden verbeterd om de effecten van reflectoren op te nemen.
Referenties
- ↑ Kundapur, A., Solar box cookers - Solar Cooking. Beschikbaar op: http://solarcooking.wikia.com/wiki/Box_cookers [Geraadpleegd op 4 april 2010].
- ↑ Coyle, R., Solar cooker dissemination and cultural variables - Solar Cooking. Beschikbaar op: http://web.archive.org/web/20170927125644/http://solarcooking.wikia.com/wiki/Solar_cooker_dissemination_and_cultural_variables [Geraadpleegd op 16 april 2010].
- ↑ Bergler, H. et al., 1999. Vooruit met zonne-ovens: acceptatie en introductie op de markt, Eschborn, Duitsland: Duitse technische samenwerking.
- ↑ Multiple, Hoe zonne-ovens werken - Solar Cooking. Beschikbaar op: http://solarcooking.wikia.com/wiki/How_solar_cookers_work [Geraadpleegd op 19 april 2010].
- ↑ Aalfs, M., Principles of Solar Box Cooker Design - Solar Cooking. Beschikbaar op: http://solarcooking.wikia.com/wiki/Principles_of_Solar_Box_Cooker_Design [Geraadpleegd op 4 april 2010].
- ↑Ga naar:6.0 6.1 6.2 Incropera, FP et al., 2007. Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6e druk, Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.
- ↑ Boundary layer - Wikipedia, de vrije encyclopedie. Beschikbaar op: http://en.wikipedia.org/wiki/Boundary_layer [Geraadpleegd op 16 april 2010].
- ↑ Emissiviteitscoëfficiënten van enkele veelvoorkomende materialen. Beschikbaar op: http://www.engineeringtoolbox.com/emissivity-coefficients-d_447.html [Geraadpleegd op 16 april 2010].
- ↑ Honsberg, C. & Bowden, S., Photovoltaics CDROM. Beschikbaar op: http://web.archive.org/web/20100801072122/http://pvcdrom.pveducation.org:80/index.html [Geraadpleegd op 16 april 2010].
- ↑ Fresnel-vergelijkingen - Wikipedia, de vrije encyclopedie. Beschikbaar op: http://en.wikipedia.org/wiki/Fresnel_equations [Geraadpleegd op 6 april 2010].
- ↑ Kumar, S., 2004. Thermische prestatiestudie van boxtype zonnekoker uit verwarmingskarakteristieken. Energy Conversion and Management, 45(1), 127-139.
