Analysis of a solar box cooker with inclined window/vi
Bếp nấu năng lượng mặt trời không phải là một ý tưởng mới. Các nhà thiết kế từ thế kỷ 19 đã nhận ra tiềm năng của năng lượng mặt trời trong việc cung cấp nhiệt để nấu ăn và các mục đích khác và đã thiết kế các công cụ phù hợp để khai thác nó. [ 1 ] Thật vậy, có khả năng năng lượng mặt trời đã được sử dụng để nấu ăn từ rất lâu trước đó.
Bếp năng lượng mặt trời có nhiều lợi ích tiềm năng, cả đối với người sử dụng và môi trường. Một lợi thế thường được trích dẫn của bếp năng lượng mặt trời là chúng làm giảm sự phụ thuộc của người dùng vào các nguồn nhiên liệu để nấu ăn. Việc giảm này mang lại lợi ích kinh tế cho người sử dụng bằng cách giảm chi phí nhiên liệu và cũng có lợi cho môi trường bằng cách giảm nạn phá rừng (ở những vùng sử dụng gỗ làm nhiên liệu nấu ăn) và thải các sản phẩm đốt cháy vào khí quyển. Vì phần lớn việc nấu ăn bằng gỗ được thực hiện trong nhà với hệ thống thông gió kém, nên nấu ăn bằng năng lượng mặt trời cũng có khả năng làm giảm việc hít phải khói và các vấn đề sức khỏe liên quan.
Do có lịch sử lâu dài và nhiều người ủng hộ nhiệt tình, nấu ăn bằng năng lượng mặt trời đã sở hữu một lượng lớn thông tin thiết kế. Dự án này nhằm mục đích bổ sung cho các thiết kế hiện có bằng cách tập trung vào một thông số rất cụ thể: góc cửa sổ bếp.
Bếp năng lượng mặt trời đang được sử dụng rộng rãi. Xem Bếp năng lượng mặt trời dạng hộp để biết thêm thông tin.
Các vấn đề văn hóa
Như thường lệ với Công nghệ Thích hợp, việc chú ý chặt chẽ đến các vấn đề văn hóa là vô cùng quan trọng. Một số tác giả đã bình luận về các vấn đề văn hóa liên quan đến việc chuyển giao công nghệ bếp nấu bằng năng lượng mặt trời. Ramon Coyle [ 2 ] bắt đầu bài viết của mình một cách rõ ràng bằng cách thảo luận về một chủ đề thường bị bỏ qua trong các cuộc thảo luận về các vấn đề văn hóa liên quan đến việc chuyển giao công nghệ: văn hóa của chính những người thúc đẩy phương Tây. Ramon nhận thấy rằng, đặc biệt là ở Hoa Kỳ, nền văn hóa thống trị khuyến khích sự lạc quan lớn và một thế giới quan hạn hẹp và không coi trọng sự khiêm tốn và kiên nhẫn. Theo Ramon, sự lạc quan "có thể cám dỗ những người thúc đẩy bếp nấu bằng năng lượng mặt trời có trụ sở tại Hoa Kỳ khởi động các kế hoạch lớn với khung thời gian ngắn và quá ít nghiên cứu, lập kế hoạch và nguồn lực".
Tất nhiên, sự trân trọng văn hóa địa phương cũng quan trọng. Bergler và cộng sự cung cấp góc nhìn giai thoại của ba gia đình như một phương tiện để xem xét việc áp dụng bếp nấu năng lượng mặt trời. [ 3 ] Một trong những gia đình sống ở vùng nông thôn Ấn Độ và nấu ăn trên bếp củi, bếp phân hoặc bếp trấu ngoài trời hai lần một ngày: một lần vào lúc 11 giờ sáng và một lần vào lúc 5 giờ chiều. Một gia đình khác sống gần khu vực đô thị của Guatemala và có thể sử dụng bếp cải tiến của một người bạn có thể đốt hầu hết mọi thứ và được đặt trong nhà. Họ ăn trưa lúc 1 giờ chiều và ăn tối, gồm nhiều đồ chiên, lúc 6 giờ chiều. Những câu chuyện này nhằm mục đích minh họa một số khác biệt tiềm ẩn trong tình huống có thể ảnh hưởng đến việc áp dụng bếp nấu năng lượng mặt trời. Gia đình nấu ăn trong nhà có nhiều khả năng nhận thấy lợi ích của việc nấu ăn bằng năng lượng mặt trời về mặt chất lượng không khí hơn so với gia đình nấu ăn ngoài trời. Gia đình ăn đồ chiên vào buổi tối có thể gặp khó khăn với bếp nấu năng lượng mặt trời dạng hộp không đạt được nhiệt độ đủ cao để chiên. Thời điểm cụ thể trong ngày khi các gia đình nấu ăn có ý nghĩa đối với việc lựa chọn bếp.
Thiết kế bếp nấu bằng năng lượng mặt trời
Thiết kế bếp năng lượng mặt trời có thể được chia thành ba loại: [ 4 ]
- Nồi nấu hộp
- Bếp nấu cô đặc cong
- Bếp nấu dạng tấm
Bếp hộp sử dụng hiệu ứng nhà kính để tạo ra một lớp vỏ nhiệt độ cao. [ 5 ] Bếp hộp không dựa vào mức độ cô đặc cao, nhưng cần cách nhiệt tốt để duy trì nhiệt độ cao trong một thể tích tương đối lớn. Bếp tập trung cong sử dụng bề mặt phản xạ, thường là parabol, để thu thập ánh sáng và tập trung xuống một khu vực nhỏ. Bếp dựa trên bộ tập trung thường có thể đạt được nhiệt độ cao hơn nhiều so với bếp hộp, mặc dù ở một khu vực nhỏ hơn. Bếp tấm sử dụng các thành phần của hai loại khác, thường có các tấm có thể gập lại và kính hoặc nhựa để tạo ra hiệu ứng nhà kính.
Thiết kế hiện có
Có rất nhiều thiết kế bếp nấu bằng năng lượng mặt trời có sẵn miễn phí trên internet. Một số trong số này có thể được tìm thấy trên Appropedia. Solar Cooking Wiki, do Solar Cookers International điều hành, là một kho lưu trữ khác.
Trên Appropedia
- Một thiết kế toàn diện cho một bếp nấu parabol có giàn để hỗ trợ tập trung
- Thiết kế parabol sử dụng các thành phần hộp thiếc làm vật phản xạ
- Một thiết kế thú vị cho bếp tập trung parabol sử dụng tấm nhôm được tán đinh vào chảo vệ tinh.
- Đánh giá về nấu ăn bằng năng lượng mặt trời liên quan đến một số thiết kế bên ngoài
Các thiết kế miễn phí khác
- CooKit , được thiết kế bởi Solar Cookers international, là một bếp nấu dạng tấm đã trở nên phổ biến
- Matt West đã chế tạo bếp nấu năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng một chiếc lò nướng cũ và một tủ đông lạnh.
Xét đến tính khả thi của các thiết kế này, mục tiêu của dự án không phải là cung cấp thêm một thiết kế bếp năng lượng mặt trời khả thi nữa mà là nghiên cứu một khía cạnh cụ thể của thiết kế bếp năng lượng mặt trời để xác định xem có thiết kế tối ưu hơn hay không.
Động lực dự án
Một xu hướng chung trong nhiều cuộc thảo luận về tính phù hợp về mặt văn hóa của việc nấu ăn bằng năng lượng mặt trời là thời gian mọi người nấu thức ăn của họ thay đổi đáng kể tùy theo từng địa điểm. Chắc chắn không phải hầu hết các gia đình nấu bữa ăn chính trong ngày vào buổi trưa hoặc bất cứ khi nào mặt trời gần thiên đỉnh nhất ở vĩ độ đang xét. Có khả năng là có một góc cửa sổ tối ưu cho bếp nấu bằng năng lượng mặt trời cho phép bếp đạt được nhiệt độ tối đa tại một thời điểm cụ thể trong ngày.
Về mặt lý tưởng, một bếp nấu có thể được thiết kế để có góc cửa sổ thay đổi, nhưng điều này sẽ không dễ thực hiện và sẽ đưa một chế độ hỏng hóc khác vào bếp nấu năng lượng mặt trời. Do đó, người ta cho rằng hầu hết các bếp nấu năng lượng mặt trời đều có góc cửa sổ cố định. Giả định này dẫn đến, ví dụ, sự đánh đổi giữa các góc tối ưu tại một thời điểm nấu so với thời điểm khác, hoặc tại một vĩ độ so với vĩ độ khác.
Mục tiêu của dự án
Với tất cả những điều trên, mục tiêu của dự án được đặt ra là xác định xem có thể tìm được góc cửa sổ tối ưu nào cho phép nấu ăn vào buổi sáng và buổi chiều trong một dải vĩ độ rộng nhất có thể hay không. Để đạt được mục tiêu này, một hệ thống mô phỏng đã được thiết kế bằng Java để dự đoán nhiệt độ nồi nấu trong các điều kiện khác nhau.
Lý thuyết mô hình
Phân tích nhiệt động lực học
Bếp năng lượng mặt trời được mô hình hóa bằng cách sử dụng phân tích nhiệt động lực học một chiều có tính đến dẫn nhiệt và đối lưu. Các phương pháp được sử dụng để mô hình hóa cả hai hiệu ứng được thảo luận chi tiết bên dưới.
Đối lưu
Vấn đề chung của sự đối lưu là hiểu cách nhiệt được truyền giữa một chất lỏng (nói chung) đang chuyển động và một vật thể khác. Tốc độ truyền nhiệt tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật thể đang xét, cũng như tỷ lệ h, được gọi là hệ số đối lưu . [ 6 ]
- q=h¯MỘTS(TS−T∞)
Không khí chảy qua một tấm phẳng tạo thành một lớp ranh giới dày hơn theo khoảng cách xuôi dòng từ mép tấm. [ 7 ] Chất lỏng trong ranh giới chảy với vận tốc giảm so với tấm so với dòng chảy tự do. Ngoài ra, các gradient nhiệt độ tồn tại trong lớp ranh giới, cho phép xuất hiện nhiệt độ trạng thái ổn định T s trên bề mặt của tấm và nhiệt độ trạng thái ổn định khácT∞trong dòng chảy tự do. Tốc độ truyền nhiệt qua dẫn nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào độ dốc nhiệt độ ở bề mặt tấm, như minh họa bên dưới.
- h=−tôif∂T/∂và|và=0TS−T∞
Vì độ dốc nhiệt độ thay đổi mạnh theo vị trí dọc theo tấm, nên phải tính giá trị trung bình để tính tốc độ dòng nhiệt tổng thể. Kết hợp với một số mối quan hệ không theo chiều, điều trên cho phép tính toán sự phụ thuộc của hệ số đối lưu trung bình vào các đặc tính của dòng chảy. Incropera et al. [ 6 ] xác định rằng hệ số đối lưu có thể được tính như sau:
- h¯L=0.664tôiLRvàx1/2Pr1/3
Phương pháp kháng nhiệt
Giả định đơn giản hóa rằng tất cả các quá trình dẫn nhiệt và đối lưu đều là một chiều, có thể áp dụng phép loại suy với mạch điện để giải bài toán nhiệt độ trạng thái ổn định trong nồi nấu. Trong phép loại suy này, dòng nhiệt tương ứng với dòng điện, nhiệt độ tương ứng với điện thế và điện trở nhiệt tương ứng với điện trở. Điện trở nhiệt của một thành phần phụ thuộc vào loại quá trình truyền nhiệt (dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ) và các yếu tố hình học. Điện trở nhiệt đối với dẫn nhiệt và đối lưu được đưa ra dưới đây. [ 6 ]
- RcôiNngày=LtôiMỘT
- RcôiNv=1hMỘT
Mạch mô tả ba đường dẫn song song giữa bên trong nồi nấu (giả sử ở nhiệt độ cân bằng nhiệt T b ) và bên ngoài (giả sử ở nhiệt độ cân bằngT∞). Đường đi xa nhất về bên trái (đường đi A) biểu diễn sự dẫn nhiệt qua các bức tường cách nhiệt của bếp nấu và bức xạ ra không khí xung quanh. Hệ số hai có mặt vì đường đi này biểu diễn sự dẫn nhiệt qua hai mặt riêng biệt của bếp nấu. Đường đi ở giữa (đường đi B) biểu diễn sự dẫn nhiệt qua bức tường cách nhiệt trực tiếp xuống đất. Đường đi bên phải (đường đi C) biểu diễn sự dẫn nhiệt qua bề mặt kính và sự đối lưu từ bề mặt này.
Tổng điện trở của mạng được đưa ra bên dưới theo điện trở của các đường dẫn A, B và C, và nhiệt độ của nồi nấu được đưa ra theo điện trở tổng, q rad và nhiệt độ bên ngoài.
- RT=MỘTBCMỘTB+MỘTC+BC
- Tb=qrMộtngàyRT+T∞
Người ta thừa nhận rằng phân tích nói trên trình bày một góc nhìn đơn giản về quá trình truyền nhiệt xảy ra trong hệ thống. Giả định về quá trình truyền nhiệt một chiều, mặc dù có khả năng đúng ở tâm của mỗi bề mặt, nhưng lại không đúng ở nơi các bề mặt giao nhau. Ngoài ra, tính phức tạp trong hình học của thiết bị khiến việc áp dụng ngay cả mô hình đơn giản này cũng trở nên khó khăn. Trên thực tế, các đặc điểm truyền nhiệt sẽ phụ thuộc vào hướng của nồi nấu so với hướng dòng chảy trung bình. Tuy nhiên, đặc điểm này được coi là không quan trọng và được lấy làm giá trị trung bình để loại bỏ sự phụ thuộc vào hướng của nồi nấu. Mặc dù có những nhược điểm, mô hình này vẫn cho phép ước tính nhiệt độ đạt được trong nồi nấu trong các điều kiện khác nhau.
Bức xạ
Khi thiết kế mô hình, các tác động của bức xạ phần lớn bị bỏ qua vì người ta cho rằng các tác động này sẽ không đáng kể đối với nhiệt độ mà bếp năng lượng mặt trời đạt được. Tuy nhiên, điều này có thể không đúng.
Hiệu ứng bức xạ có thể được quy cho định luật Stefan-Boltzmann được đưa ra dưới đây. Định luật Stefan-Boltzmann liên hệ tổng công suất bức xạ của một bề mặt với nhiệt độ của nó. Công suất bức xạ cũng liên quan đến độ phát xạ của vật liệu (mức độ mà nó lệch khỏi vật đen lý tưởng) và với diện tích bề mặt của vật liệu. Độ phát xạ của các vật liệu xây dựng thông thường (gạch, gỗ, kính, v.v.) dao động từ khoảng 0,8 đến 0,94. [ 8 ]
- P=MỘTϵσT4,
- σ=5.670400×10−8JS−1tôi−2K−4,
Với nhiệt độ bề mặt ngoài là 80 °C và độ phát xạ là 1, bức xạ từ bề mặt sẽ đạt tới 880 W/m 2 , một lượng đáng kể so với hằng số mặt trời là 1000 W/m 2 . Độ phát xạ phải được tính đến trong mô hình.
Độ cao của mặt trời
Vị trí của mặt trời trên bầu trời có thể được xác định bằng hai góc: góc phương vị, xác định hướng đến pháp tuyến với mặt phẳng của đường chân trời giao với mặt trời (tương đương với hướng la bàn hướng về phía mặt trời) và góc độ cao, xác định góc mà tia sáng mặt trời tạo ra với mặt phẳng của đường chân trời. Vì bếp được cho là đủ linh hoạt để có thể xoay khi góc phương vị thay đổi, nên góc độ cao được coi là thông số mặt trời duy nhất cần quan tâm. Góc độ cao mặt trờisốScó thể được tính toán như thể hiện dưới đây: [ 9 ]
- tội lỗisốS=coshcosδcosϕ+tội lỗiδtội lỗiϕ
Ở đâu
- sốSlà góc nâng
- hlà góc giờ, theo giờ địa phương
- δlà độ nghiêng mặt trời hiện tại (góc giữa mặt phẳng xích đạo và tia nắng mặt trời)
- ϕlà vĩ độ địa phương
Góc nghiêng có thể dễ dàng tính toán từ ngày dương lịch:
- tội lỗiδ=tội lỗi(23.45∘)tội lỗi[360365(ngày−81)]
Ở đâu
- ngàylà ngày trong năm
- 23.45∘là góc nghiêng của trục Trái Đất
Góc giờ cũng có thể được tính toán từ thời gian trong ngày thông qua một công thức khá đơn giản. Xem bài viết này về góc giờ để biết thêm thông tin.
Phản xạ Fresnel
Hiệu ứng của các tia nắng mặt trời chiếu vào bếp nấu năng lượng mặt trời ở các góc độ khác nhau cực kỳ quan trọng đối với bài tập mô hình hóa này. Hành vi phản xạ của các tia này được mô hình hóa bằng cách sử dụng các phương trình Fresnel được hiển thị bên dưới. [ 10 ]
- RS=[N1cossốTôi−N21−(N1N2tội lỗisốTôi)2N1cossốTôi+N21−(N1N2tội lỗisốTôi)2]2
- RP=[N11−(N1N2tội lỗisốTôi)2−N2cossốTôiN11−(N1N2tội lỗisốTôi)2+N2cossốTôi]2
- R=(RS+RP)2
Các phương trình trên đưa ra hệ số phản xạ cho ánh sáng đi qua ranh giới giữa hai môi trường. R s đưa ra hệ số cho ánh sáng phân cực vuông góc với giao diện và R p đưa ra hệ số cho ánh sáng phân cực song song với giao diện. R đưa ra hệ số cho ánh sáng không phân cực, trong đó n 1 và n 2 lần lượt là chiết suất của môi trường thứ nhất và thứ hai vàsốTôilà góc tới. Wikipedia cung cấp sơ đồ hữu ích về các biến số tại đây .
Để giải quyết hai ranh giới (không khí - thủy tinh và thủy tinh - không khí), các phương trình Fresnel chỉ đơn giản được áp dụng hai lần. Góc khúc xạ tại giao diện đầu tiên được tính toán từ định luật Snell và góc này được tính đến khi tính R tại giao diện thứ hai. Không có phản xạ bậc hai nào được tính đến khi tính toán cường độ truyền qua, được đưa ra bởi phương trình bên dưới.
Phần mềm mô phỏng
Phần mềm mô phỏng được viết bằng Java. Các liên kết đến tệp mô phỏng được cung cấp bên dưới:
Tổng quan và hạn chế
Có nhiều thông số liên quan đến mô hình bếp hộp năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, mô hình này nhằm mục đích chứng minh mối quan hệ giữa năm biến quan trọng liên quan đến nhiệt độ bếp:
- Vĩ độ
- Thời gian trong ngày
- Ngày trong năm
- Góc cửa sổ
- Nhiệt độ nồi nấu
Bốn trong số các biến này là độc lập, do đó nhiệt độ đạt được của nồi nấu có thể được xác định bằng cách chỉ định vĩ độ, Thời gian trong ngày, Ngày trong năm và Góc cửa sổ. Để tạo ra một công cụ hữu ích, phần mềm được thiết kế để tạo ra các biểu đồ ba chiều với Góc cửa sổ trên trục x, Vĩ độ, Ngày trong năm hoặc Góc cửa sổ trên trục y và Nhiệt độ nồi nấu trên trục z.
Cần lưu ý ngay từ đầu rằng các dự đoán định lượng do mô hình đưa ra không chính xác. Ban đầu, các thông số khác nhau liên quan đến truyền nhiệt trong hệ thống được chọn một cách hợp lý nhất có thể (hầu hết các giả định này đều có thể nhìn thấy trong Tệp đầu vào). Tuy nhiên, dựa trên các giá trị này, mô hình đưa ra các giá trị cực lớn cho nhiệt độ của nồi nấu. Do đó, một thông số duy nhất đã được điều chỉnh để đưa kết quả vào phạm vi hợp lý hơn. Thông số được điều chỉnh như vậy là hiệu suất quang học, phần ánh sáng đi vào hộp (đã được phản xạ/hấp thụ một phần bởi kính) được các thành hộp phát ra lại dưới dạng bức xạ hồng ngoại và bị giữ lại bên trong hộp. Kumar đã phát hiện ra rằng hiệu suất quang học của nồi nấu năng lượng mặt trời dạng hộp là khoảng 69%. [ 11 ] Để đưa kết quả về độ rọi đầy đủ (1000 W/m 2 chiếu tới) vào nhiệt độ 100°C, trong mô hình này, hiệu suất được đặt thành 2%.
Tệp đầu vào
Tệp đầu vào cho phép người dùng chỉ định các tham số và biến quan tâm đến mô hình. Chế độ chọn loại biểu đồ sẽ được tạo:
- Chế độ 1: Góc cửa sổ trên trục x (độ), Thời gian trong ngày trên trục y (giờ), Nhiệt độ bếp trên trục z (°C)
- Chế độ 2: Góc cửa sổ trên trục x (độ), Vĩ độ trên trục y (độ), Nhiệt độ nồi nấu trên trục z (°C)
- Chế độ 3: Góc cửa sổ trên trục x (độ), Ngày trong năm trên trục y (ngày), Nhiệt độ nồi nấu trên trục z (°C)
Rõ ràng, tệp đầu vào cho phép người dùng chỉ định quá mức mô hình. Ví dụ, trong tất cả các chế độ, Góc cửa sổ thay đổi từ 0° đến 60° để tạo ra một biểu đồ. Do đó, việc chỉ định góc cửa sổ không ảnh hưởng đến dự đoán. Đối với một ví dụ khác, việc chỉ định Thời gian trong ngày không ảnh hưởng đến Chế độ 1, nhưng có ảnh hưởng đến Chế độ 2 và 3. Biến dTGMT biểu thị độ lệch so với giờ quốc tế và được sử dụng để tính toán góc của mặt trời cho các thời điểm khác nhau trong ngày khi đo ở một múi giờ cụ thể. dTGMT cho khu vực Kingston là -5.
Đầu ra
Chương trình xuất ra ba tệp: xout.txt, yout.txt và out.txt. Mỗi tệp chứa một ma trận mxn. out(i,j) biểu diễn nhiệt độ nồi nấu cụ thể, tương ứng với vị trí (xout(i,j), yout(i,j)). Các biểu đồ màu trong phần này được tạo ra bằng cách vẽ dữ liệu này bằng lệnh pcolor của Matlab [pcolor(xout,yout,out)], nhưng dữ liệu cũng có thể được trực quan hóa tốt bằng một gói phần mềm nguồn mở.
Thảo luận và Kết quả
Biểu đồ bên phải cho thấy nhiệt độ nồi nấu cho nhiều góc cửa sổ khác nhau vào nhiều thời điểm trong ngày tại Dakar, Senegal. Kết quả phù hợp với kỳ vọng trực quan: góc cửa sổ thấp hơn dẫn đến nhiệt độ nồi nấu cao hơn vào giữa trưa và góc cao hơn dẫn đến nhiệt độ nấu cao hơn vào buổi sáng và buổi chiều. Điều thú vị cần lưu ý là có thể đạt được nhiệt độ cao như nhau vào lúc 10:30 sáng cũng như đạt được vào lúc 1 giờ chiều, chỉ cần một góc cửa sổ khác.
Các sơ đồ bên dưới được lấy cảm hứng từ nghiên cứu điển hình của Bergler và cộng sự về người dùng bếp nấu năng lượng mặt trời ở nhiều địa điểm khác nhau trên thế giới. Hai sơ đồ đầu tiên biểu thị nhiệt độ có thể đạt được của bếp nấu ở Quetzaltenango, Guatemala vào lúc 1 giờ chiều và 6 giờ chiều vào những ngày khác nhau trong năm. Những thời điểm này tương ứng với thời gian nấu ăn ưa thích được nêu ra của những cư dân tham gia nghiên cứu. Vào lúc 1 giờ, rõ ràng là góc cửa sổ tối ưu sẽ là khoảng 21°. Điều này sẽ đảm bảo nhiệt độ trong bếp nấu luôn trên 90°C trong cả năm. Tuy nhiên, góc 21° vào lúc 6 giờ chiều kém lý tưởng hơn nhiều và sẽ chỉ tạo ra nhiệt độ tối đa là 60°C. Việc lựa chọn sự đánh đổi có thể chấp nhận được giữa hai góc này sẽ rất khó khăn vì nhiệt độ thấp thu được và có khả năng là ở khu vực này, cần phải sử dụng một tấm phản xạ để tăng nhiệt độ của bếp nấu.
Tình hình ở Kizhmeni, một ngôi làng ở Tamil Nadu, Ấn Độ, có phần thuận lợi hơn cho việc lựa chọn bếp nấu bằng năng lượng mặt trời. Hai lô đất cho thấy cùng dạng cơ bản như ở Quetzaltenango, nhưng có vẻ như góc cửa sổ khoảng 35 ° sẽ tạo ra nhiệt độ không dưới 90 °C lúc 11 giờ sáng và nhiệt độ khoảng 80 °C trong hầu hết thời gian trong năm lúc 5 giờ chiều.
 |  |
 |  |
Biểu đồ bên phải được tạo ra để thúc đẩy khả năng sử dụng mô hình này: tối ưu hóa góc cửa sổ trên nhiều vĩ độ. Như biểu đồ cho thấy, góc 35 ° mà chúng tôi đã chọn cho Kizhmeni (vĩ độ Nam trong hình bên phải) đảm bảo nhiệt độ không giảm xuống dưới 80 °C khi sử dụng trên khắp tiểu lục địa. Kết luận này cần được xác minh tại các địa điểm khác và vào các ngày khác trong năm, nhưng cho thấy rằng góc cửa sổ đơn có thể được sử dụng trên các vùng vĩ độ tương đối lớn với kết quả tốt.
Công việc tương lai
Như đã nêu, mô hình này không phải là sự thể hiện chính xác của một bộ mô phỏng năng lượng mặt trời. Nhiệt độ mà mô hình dự đoán quá cao để phản ánh các điều kiện vật lý mà không cần điều chỉnh hiệu suất quang học một cách nhân tạo. Như đã đề cập, mô hình này thiếu sót đáng kể trong việc bỏ qua việc xử lý các tổn thất bức xạ từ bếp nấu. Thiếu sót này cần được giải quyết. Ngoài ra, mô hình cần được so sánh với một số thiết kế bếp nấu hộp khác nhau hoạt động trong các điều kiện khác nhau để đưa ra các dự đoán đáng tin cậy hơn, lý tưởng nhất là sử dụng.
Theo mô hình, không gian thiết kế được chỉ định bởi 5 biến: Vĩ độ, Thời gian trong ngày, Góc cửa sổ, Nhiệt độ bếp và Ngày trong năm. Việc triển khai toàn diện mô hình sẽ cho phép người dùng chỉ định các ràng buộc thiết kế theo bất kỳ biến nào và đánh giá tác động của các ràng buộc này lên các biến khác. Nó cũng sẽ cho phép người dùng tối ưu hóa góc cửa sổ cho các ràng buộc thiết kế khác nhau này.
Về mặt lý thuyết, điều này không khó thực hiện. Trên thực tế, có nhiều thách thức. Có một thách thức về mặt tính toán trong việc tính toán nhiệt độ tại mọi thời điểm trong năm với độ phân giải hợp lý, ở mọi vĩ độ và với mọi góc cửa sổ có thể. Có một thách thức về cách hiển thị dữ liệu với rất nhiều biến tự do theo cách hữu ích. Một triển khai tiềm năng có thể cho phép người dùng chỉ định nhiệt độ cắt (tức là lớn hơn 100°C), thời gian trong ngày mà bếp phải hoạt động và một ngày cụ thể cần quan tâm, sau đó có được một sơ đồ tương tự như sơ đồ bên dưới. Một sơ đồ như vậy sẽ rất hữu ích trong việc đưa ra sự đánh đổi thiết kế giữa công suất tối ưu tại một vị trí cụ thể và hiệu quả trên một vùng rộng lớn.
Kết luận
Mã mô phỏng bếp nấu bằng năng lượng mặt trời được thiết kế để dự đoán nhiệt độ bếp nấu trong nhiều điều kiện khác nhau với mục đích xác định góc cửa sổ tối ưu. Phần mềm đã dự đoán thành công xu hướng nhiệt độ bếp nấu, nhưng nhiệt độ tuyệt đối không đáng tin cậy do mô hình nhiệt động lực học được sử dụng không đầy đủ. Kết quả cho thấy trong một số điều kiện nhất định, có thể đưa ra một sự thỏa hiệp hợp lý để tìm ra góc cửa sổ áp dụng cho hai thời gian nấu mong muốn. Cụ thể đối với khu vực Tamil Nadu ở Ấn Độ, mô hình cho thấy góc cửa sổ 35 ° sẽ cho phép nấu lúc 11 giờ sáng và lúc 5 giờ chiều với nhiệt độ hộp không giảm xuống dưới 80 °C. Mô hình cũng cho thấy rằng một góc cửa sổ duy nhất có thể áp dụng trên một phạm vi vĩ độ tương đối lớn. Mô hình cần được tinh chỉnh và xác thực so với bếp nấu bằng hộp vật lý. Mô hình cũng có thể được cải tiến để bao gồm các hiệu ứng của bộ phản xạ.
Tài liệu tham khảo
- ↑ Kundapur, A., Solar box cookers - Nấu ăn bằng năng lượng mặt trời. Có tại: http://solarcooking.wikia.com/wiki/Box_cookers [Truy cập ngày 4 tháng 4 năm 2010].
- ↑ Coyle, R., Sự phổ biến của bếp năng lượng mặt trời và các biến số văn hóa - Nấu ăn bằng năng lượng mặt trời. Có tại: http://web.archive.org/web/20170927125644/http://solarcooking.wikia.com/wiki/Solar_cooker_dissemination_and_cultural_variables [Truy cập ngày 16 tháng 4 năm 2010].
- ↑ Bergler, H. et al., 1999. Tiến lên với bếp nấu bằng năng lượng mặt trời: Sự chấp nhận và giới thiệu ra thị trường, Eschborn, Đức: Hợp tác kỹ thuật Đức.
- ↑ Nhiều, Bếp nấu năng lượng mặt trời hoạt động như thế nào - Nấu ăn bằng năng lượng mặt trời. Có tại: http://solarcooking.wikia.com/wiki/How_solar_cookers_work [Truy cập ngày 19 tháng 4 năm 2010].
- ↑ Aalfs, M., Nguyên tắc thiết kế bếp nấu năng lượng mặt trời - Nấu ăn bằng năng lượng mặt trời. Có tại: http://solarcooking.wikia.com/wiki/Principles_of_Solar_Box_Cooker_Design [Truy cập ngày 4 tháng 4 năm 2010].
- ↑Nhảy lên tới:6.0 6.1 6.2 Incropera, FP và cộng sự, 2007. Cơ sở truyền nhiệt và truyền khối, ấn bản lần thứ 6, Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.
- ↑ Lớp ranh giới - Wikipedia, bách khoa toàn thư mở. Có tại: http://en.wikipedia.org/wiki/Boundary_layer [Truy cập ngày 16 tháng 4 năm 2010].
- ↑ Hệ số phát xạ của một số vật liệu thông thường. Có tại: http://www.engineeringtoolbox.com/emissivity-coefficients-d_447.html [Truy cập ngày 16 tháng 4 năm 2010].
- ↑ Honsberg, C. & Bowden, S., Photovoltaics CDROM. Có tại: http://web.archive.org/web/20100801072122/http://pvcdrom.pveducation.org:80/index.html [Truy cập ngày 16 tháng 4 năm 2010].
- ↑ Phương trình Fresnel - Wikipedia, bách khoa toàn thư mở. Có tại: http://en.wikipedia.org/wiki/Fresnel_equations [Truy cập ngày 6 tháng 4 năm 2010].
- ↑ Kumar, S., 2004. Nghiên cứu hiệu suất nhiệt của bếp năng lượng mặt trời dạng hộp từ các đường cong đặc tính nhiệt. Chuyển đổi và quản lý năng lượng, 45(1), 127-139.
