Progetto di base della cucina con forni solari

L'obbiettivo di questa pubblicazione è di riassumere i principi di base che vengono utilizzati nella realizzazione di forni ad energia solare.

Benchè l'utilizzo dei forni solari sia principalmente dedicata alla cottura del cibo ed alla pastorizzazione dell'acqua, nuove utilizzazioni sono continuamente in sviluppo . L'avvicinamento all'uso dei forni solari è condizionato dall'accesso ai materiali, disponibilità di combustibili tradizionali, clima, preferenze alimentari, fattori culturali, e capacità tecniche.

Dall'assimilazione dei principi dell'energia solare e dalla disponibilità di semplici materiali come cartone, fogli di alluminio e specchi, è possibile costruire un efficiente dispositivo per la cottura con l'energia solare. Questa pubblicazione indica i principi di base della progettazione di forni solari e identifica un avarietà di materiali potenzialemnte utili.

Questi principi di base sono presentati mado generale per essere applicabili alle differenti probblematiche. I principi basilari del trasferimento del calore tramite 'energia solare e dei materiali utilizzati, si applica indipendentemente dalla necessità di cuocere il cibo, patorizzare l'acqua o essiccare pesce e granaglie. Noi guardiamo avanti, alle applicazioni di una larga gamma di materiali e tecniche con qui è possibile utilizzare l'energia solare.

Quelli elencati sono i principali concetti generalmente utilizzati nella realizzazione o nella modifica di forni per cucina ad energia solare:

A. I principi del calore

Lo scopo principale del forno da cottura ad energia solare, solo er citarne alcuni, è quello di riscaldare gli oggetti, cucinare il cibo, purificare l'acqua, sterilizzare gli strumenti.

Un forno da cottura ad energia solare è un grado di cuocere perchè l'interno del contenitore è riscaldato dall'energia solare. I raggi solari , sia quelli diretti sia quelli riflessi, entrano nel contenitore attraverso la copertura in vetro o plastica. Vengono trasformati in energia termica quando sono assorbiti dalla superficie nera di assorbimento o dal contenitore di cottura. Questo ingresso di calore provoca l'innalzamento della temperatura interna del forno fino a quando le perdite termiche del contenitore uguagliano l'apporto di temperatura dell'energia solare. Le temperature di cottura del cibo e di pastorizzazione dell'acqua vengono raggiunte rapidamente.

Considerando due contenitori con la stessa capacità di ritenzione del calore, quello con maggiore apporto di calore. o direttamente dal sole o tramite un concentratore solare, avrà una temperatura interma maggiore.

Considerando due contenitori, con lo stesso apporto calorico, quello con maggiore ritenzione del calore, migliore isolamento delle pareti del fondo e del coperchio, raggiungerà una maggiore temperaura interna.

B. Incremento della temperatura

Effetto serra: Questo effetto è causato dal riscaldamento di uno spazio chiuso riscaldato dai raggi solari che filtrano attraverso un materiale trasparente come vetro o plastica. I raggi luminosi visibili passano facilmente attraverso il vetro e sono assorbiti e riflessi dagli oggetti contenuti.

L'energia dei raggi luminosi che vien assorbita dalla piastra nera di assorbimento posta sotto al tegame viene convertita in energia termica con onde di maggiore lunghezza e irradia dai materiali contenuti. La maggor parte di questa energia, avendo un maggiore lunghezza d'onda, non può ripassare attraverso il vetro e resta perciò intrappolata all'interno dello spazio chiuso.

I raggi riflessi possono essere assorbiti da altri materiali presenti all'interno dello spazio o uscire ripassando attraverso il vetro perchè non hanno cambiato la lor lunghezza d'onda.

La buona qualità del forno di cottura è data dalla sua capacità di trasferire il calore raccolto dalla piastra di assorbimento al contenitore con il cibo da riscaldare e cucinare.

Orientamento dei vetri: Maggiore è l'esposizione del vetro ai raggi solari, maggiore sarà l'incremento termico. Anche se la dimensione dei vetri sia la stessa per i due contenitori 1 e 2 , l'esposizione al sole è superiore nel contenitore 2. Va notato che il conenitore 2 ha un amaggiore superficie attraverso la quale può disperdere calore.

Riflettori, Incremento addizionale: I riflettori, singoli o doppi, convogliano all'interno del contenitore una maggiore quantità di raggi. Questo incremento dell'ingresso di raggi solari comporta una addizionale quantità di calore che innalza la temperatura di cottura.

C. Perdita del calore

La seconda legge della termodinamica definisce che la temperatura si tasferisce sempre dal caldo al freddo. Il calore dall'interno del forno vine perso principalmente in tre modi: Conduzione, Radiazione, Convezione

Le maniglie di un tegame in metallo posto su una stufa o un fuoco diventano calde per trasferimento del calore alle maniglie attraverso il materiale del tegame. Nella stessa maniera il calore interno al forno di cottura viene perso attraverso i sottili fogli trasparenti, il vetro, il cartone, l'aria e gli isolanti a contatto dell'aria esterna al contenitore

La piastra di assorbimento dell'energia solare trasferisce il calore sotto al tegame di cottura. Come mostrato in fig.6, la piastra di assorbimento viene sollevata dal fondo con supporti isolati per annullare la perdita di calore per conduzione.

Radiazione: Gli oggetti riscaldati, fuoco, cucine, tegami, cibo in cottura, emettono onde termiche ed irraggiano calore verso gli oggetti vicini attraverso l'aria o lo spazio. La maggior parte del calore irraggiato da un tegame in un forno di cottura è riflesso verso il tegame stesso o il fondo di assorbimento dal vetro o dalla superficie trasparente. Anche se le superfici trasparenti riescono a rifletere all'interno la maggior quantità di calore irrradiato, una buona parte riesce a sfugire all'esterno. Il vetro riflette meglio di molte plastiche.

Convezione: Le molecole di aria entrano ed escono dal contenitore attraverso fenditure. Il loro trasferimento di calore è detto convezione. L'aria calda dei forni di cottura ad energia solare sfugge principalmente attraverso le fenditure del coperchio, l'apertura di accesso laterale, imperfezioni di costruzione. Dalle stese vie l'aria fredda può entrare nel contenitore.

D. Conservazione del calore

La capacità del forno di mantenere la temperatura aumenta mano a mano che aumenta la densità ed il peso L'interno di un forno riempito con pietre, mattoni, pesanti tegami, acqua o cibi molto bagnati, impiegherà un tempo maggiore per riscaldarsi a causa della sua capacità di conservazione del calore. L'energia introdotto viene trasferita e conservata in questi materiali pesanti rallentando il riscaldamento dellaria contenuta nel forno.

Gli stessi materiali ad alta densità, caricati con la temperatura, irradieranno il calore mantenendolo caldo per un amgiore periodo dopo il tramonto..

E. Specifiche dei materiali

Esistono tre tipi di materiali che sono tipicamente usati nella costruzione dei forni di cottura ad energia solare e la proprietà che deve maggiormante essere tenuta in considerazione è la resistenza all'umidità.

La struttura del materiale deve essere tale per cui il contenitore possa durare nel tempo e mantenere le forme e le caratteristiche con cui viene creato.

Il materiale di costruzione include: cartone,legno, compensato, masonite, bambu, metallo, cemento, mattoni, pietre, vetro, fibra di vetro,vimini intercciati, rattan, plastica, carta pesta, argilla, terra battuta, metallo, corteccia, tela cerata o gommata.

Molti dei materiali con buone caratteristiche strutturali sono troppo densi per essere buoni isolanti. Per avere delle buone caratteristiche strutturali e di isolamento, è solitamene necessario usare diversi materiali con diverse caratteristiche complementari.

Per ottenere all'interno del forno una temperatura sufficiente per la cottura è necessario che le pareti ed il fondo del contenitore siano convenientemente isolate ( ritenzione del calore). I buoni materiali di isolamento includono i fogli di alluminio ( riflessone radiante), piume ( quelle d'oca sono le migliori), lana di vertro e di roccia, cellulosa, pula del riso, lana, paglia, giornali spiegazzati.

Quando si realizza un forno di cottura è importante che il materiale di isolamento avvolga comletamente tutte le pareti della cavità interna ad esclusione di quella trasparente che solitamente è quella superiore. Il materiale isolante deve essere installato in modo da ridurre al minimo la trasmissione della temperatura dal materiale del contenitore strutturale interno a quello del contenitore esterno. Minore è la perdita di calore, maggiore è la temperatura di cottura.

C. Materiali trasparenti

Almeno una delle superfici deve essere trasparente ed essere rivolta verso il sole per effettuare il riscaldamento con l'effetto serra." I materiali trasparenti più comuni sono il vetro e le plastiche per alta temperatura come i sacchetti per cottura in forno. Nei sistemi a doppia superficie trasparente, siano di vetro o di plastica, entrambi partecipano ad incrementare ed a disperdere il calore. In funzione del materiale utilizzato si può ridurre del 5-15% il rapporto "trasmissione solare / incremento del calore" . Tuttavia, poichè la perdita del calore attraverso il vetro o la plastica è diviso in due, la risultante finale avrà caratteristiche migliori

D. Resistenza all'umidità

Molti dei cibi che vengono cotti nei forni a cottura solare contengono umidità. Quando l'acqua o il cibo vengono riscaldati nel forno solare, si crea una pressione che spinge l'umidità dall'interno verso l'esterno del contenitore. Ci sono molti modi in cui può avvenire questo trasferimento. Può sfuggire direttamente dalle fessure o, se non sono previste le barriere anti umidità, può essere compresso nelle pareti o nel fondo del contenitore. Se il contenitore è progettato con barriere anti umidità ed efficienti guarnizioni di alta qualità, è possibile mantenere il vapore all'interno della camera di cottura. Nella progettazione dei forni di cottura è molto importante che la superficie più interna del contenitore sia una ottima barriera anti vapore. Questa barriera protegge i componenti della struttura e dell'isolamento dai danni causati dall'umidità che potrebbe trasferirsi nelle pareti e nel fondo del contenitore.

F. Disegno, proprzioni e funzionamento

Il forno per cottura solare deve essere dimensionato secondo i seguenti fattori:

Mantenendo costanti tutti gli altri paramentri, maggiore è l'area di captazione esposta al sole confrontata con l'area di dispersione del contenitore, maggiore sarà la temperatura di cottura.

Supposto che due contenitori abbiano la stessa area di captazione con le stesse dimensioni e proporzioni, quello con minore profondità avrà una minore dispersione pechè ha un'area di dispersione inferiore.

Un forno per cottura solare rivolto verso il sole di mezzogiorno deve avere la sua dimensione maggiore orientata nella direzione est/ovest per avere una migliore esposizione del riflettore durante il periodo di alcune ore di cottura. Mano a mano che il sole si sposta attraverso il cielo, questa configurazione si dimostra la più idonea per una migliore temperatura di cottura. Con un contenitore di forma quadrata o con la dimensione maggiore in direzione nord/sud, una maggiore percentuale di raggi solari matutini o serali sarà erroneamente riflessa in terra e non sul contenitore.

Uno o più riflettori possono essere utilizzati per convogliare una maggiore quantità di raggi solari all'interno del contenitore per incrementare la temperatura di cottura. Anche se senza i riflettori è possibile cucinare correttamente nelle aree equatoriali dove il sole è praticamente a picco, il loro utilizzo nelle zone temperate può migliorare notevolmente le caratteristiche del forno.

G. Operativita' del forno solare

Una delle caratteristiche positivw del forno di cottura solare è la sua semplicità d'uso. Per le latitudini comprese tra 20°N e 20°S , il forno a cottura solare senza riflettori richiede piccoli allineamenti per seguire il sole nei suoi spostamenti atraverso il cielo di mezzogiorno. IL forno è orientato verso l'alto ed il sole è alto nel cielo per la maggior parte del giorno. I forni con i riflettori possono essere orientati verso il sole all'alba o del tramonto per eseguire la cottura in quel perido della giornata.

Per i forni con reflettori utilizzati nelle zone temperate si possono raggiungere maggiori temperature se il contenitore viene allineato ogni una o due ore. Questo modifica dell'allineamento diviene meno necessario se le dimensioni est/ovest sono significativamene superiori a quelle nord/sud.

H. Fattori Culturali

Ulteriormente agli aspetti tecnici, altri fattori che includono la cultura, una tecnologia appropriata e l'estetica giocano un fattore importante nella difusione dei forni a cottura solare.

Nei secoli l'energia solare è stata sfruttata in vari modi. Come in altri tentativi, anche nella cottura tramite forni solari esistono progetti più efficienti di altri. La tecnologia che viene realizzata per soddisfare uno specifico progetto, utilizzando determinate energie, conforme a determinate realtà ambientali, sociali, culturali, e/o standard estetici, viene spesso definita come " tecnologia sostenibile".

Sfortunatamente il settore dei sistemi a cottura solare non sempre soddisfano queste richieste tencniche e sociali. Ad esempio, un concentratore parabolico può cuocere del cibo ma se confrontato con un forno a cottura solare lo troviamo più difficile da costruire, richiede materiali specifici e un costante allineamento, può bruciare il cibo e non è facilmente introducibile in determinati contesti sociali e culturali. Praticamente, in seguito al fallimento negli anni '60 dello sviluppo di progetti molto publicizzati, molti pensano che la cottura con energia solare non sia fattibile.

Più un progetto di un forno per cottura solare è conforme ad appropriate tecnologie produtttive, meglio può essere accettato da chi lo può utilizzare. Un approccio ad un basso livello tecnico consiste nello scavare un buco poco profondo, isolare il fondo con erba o foglie secche, introdurre il cibo o l'acqua in contenitori neri e coprire il tutto con un vetro. Dall'altra parte, nella scala dell'alta tecnologia, gli stessi principi possono essere usati per produrre edifici fabricati con isolamenti dalle elevate caratteristiche e vetri a bassisima dispersione con integrato architettonicamente un forno a cottura solare nel lato esposto a sud di una cucina tradizionale. Lo sportello del forno a cottura solare potrebbe anche essere inserito nella parete proprio a lato del forno a microonde.

Anche l'estetica è importante. Culture abiuate a figure rotonde posono rifiutare totalmente il concetto del forno solare perchè è quadrato. Altre culture potrebbero rifiutare il cartone perchè considerato materiale troppo povero.

E' importante che il principio di base dei forni di cottura ad energia solare non sia rifiutato a causa del fallimento di un particolare dispositivo ad energia soalre o per un errore metologico nel trasferimetno della tecnologia!

Certamente, uno dei vantaggi delle persone che progettano il proprio forno solare è quello di applicare i principi di base utilizzando i propri materiali e il proprio senso estetico. Le persone che costruiscono i propri mobili in legno o bambù, saranno propensi ad utilizzare questi materiali nei loro progetti. La colorazione dei contenitori e particoari decorazioni possono aiutare ad intordurli in determinate culture. Ci sono molte forme che possono soddisfare le teorie di base sull'uso dell'energia solare.

La posizione, la trasportabilità o meno del forno, l'attività del cucinare, l'orario in cui viene realizzata la cottura, l'importanza del cucinare come attività sociale sono fattori che possono influire sul progetto di un forno per cottura solare.

Il progetto Indiano in Himalaya, sponsorizzato da India e Germania (Dhauladhar) è un positivo esempio dell'applicazione positiva della tecnologia alle necessità di una specifica cultura. Il forno non portatile è costruito in terra e mattoni ed ha una doppia schermatura in vetro. Il contenitore scatolato interno è costruito con contenitori per olio usati. La coibentazione attorno al contenitore interno è realizzata con pula di riso.

I partecipanti al progetto Dhauladhar Project, nell'adattamento del progetto alle necessità ed alle caratteristiche locali, hanno mostrato un reale processo di trasferimento tecnologico.

Benchè esulino dallo scopo di queste note, esistono altri fattori critici che devono essere presi in considerazione per un risultato a lungo temine.

Per trasferire con successo una tecnologia da una cultura ad un'altra, è importante realizzare una ponte che crei una connessione duratura e permanente. Gli individui di entrambe le culture compongono quel ponte. Le persone provenienti dalla cultura trasmittente devono posedere un elevato grado di cultura, sensibilità e una significativa disponibilità ditempo. Il successo sarà maggiormente evidente se ogni individuo che partecipa al trasferimento tecnologico è un leader nella propria comunità Quanto meglio questi individui collaboreranno tra loro, tanto più influiranno sul successo o il fallimento del processo. La comuntià è per definizione una interconnessione di attività. Per la cottura solare, la possibilità di divenire parte di una cultura locale deve essere considerata nel contesto della comunità negli aspetti dell'economia locale, lavoro, sanità, attività sociali, risorse energetiche, deforestazione, educazione, infrastrutture tecniche ed altre.

La cottura con forni solari è già stato introdotto all'interno di varie culture. Ma abbiamo solo graffiato la superficie. La grande potenzialità di questa risorsa nei termini di benefici nei confronti della fame mondiale, la salute e la deforestazione deve ancora essere sondata.

Uno dei primari obiettivi di Solar Box Cookers Northwest è di diffondere l'utilizzo di questi prodotti tramite la diffusioe della documentazione ed il trasferimento della tecnologia. Se vuoi collaborare con noi, saremmo felici di discutere il nostro lavoro e qualsiasi tua proposta. Ci farebbe inoltre piacere ricevere nuove foto e disegni. Puoi contattarci all'indirizzo indicato nella prima di queste pagine.