ΗΛΙΑΚΕΣ ΕΣΤΙΕΣ

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 17

ΗΛΙΑΚΕΣ ΕΣΤΙΕΣ (ΦΟΥΡΝΟΙ)

ΔΗΜΟΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ Χημικός Μηχανικός

ΚΑΤΣΙΦΩΤΗΣ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ Μηχανολόγος Μηχανικός

ΛΥΜΠΕΡΟΠΟΥΛΟΥ ΕΛΕΝΗ Χημικός Μηχανικός

ΠΑΠΑΘΩΜΑΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ Χημικός Μηχανικός

ΤΖΟΥΒΑΔΑΚΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Επικ. καθηγητής ΕΜΠ

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται έναν εναλλακτικό και παράλληλα οικολογικό τρόπο

μαγειρέματος, την ηλιακή εστία (ηλιακό φούρνο). Αρχικά, γίνεται μια ιστορική ανασκό-

πηση, καθώς η «δύναμη» της ηλιακής ακτινοβολίας ήταν γνωστή από τα αρχαία χρόνια.

Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στον τρόπο λειτουργίας των ηλιακών εστιών, καθώς και

καταγραφή των κυριότερων τύπων του, όπως, επίσης, και στις προοπτικές της εφαρμο-

γής της ηλιακής εστίας ανά τον κόσμο. Τέλος, γίνεται σχεδιασμός και μελέτη κατασκευής

ενός τύπου ηλιακής εστίας σε ταράτσα αστικής κατοικίας στην Ελλάδα.

1. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

Ο ήλιος είναι ο βασικός τροφοδότης ενέργειας της γης και συνεπακόλουθα κύρια αι-

τία της ύπαρξης ζωής στον πλανήτη. Πολλοί λαοί αντιλαμβανόμενοι τη ζωτική σημασία

του ήλιου έφτασαν να τον θεοποιήσουν και να τον λατρέψουν. Αρχαιολογικές σκαπάνες

στον Ελλαδικό χώρο έφεραν στο φως σπίτια που χτίστηκαν τον 5ο π.Χ. αιώνα και είχαν

συγκεκριμένο προσανατολισμό, ώστε να αξιοποιούν τις αχτίδες του ήλιου τον χειμώνα

18 ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ ΜΑΡΤΙΟΣ - ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010 19

[Εικόνα 1]. Η συνειδητοποίηση της χρησιμότητας του ήλιου οδήγησε στη χωροθέτη-

ση πόλεων όπως η Όλυνθος και την κατασκευή σπιτιών βάσει συγκεκριμένου σχεδίου.

Η χρήση του ήλιου στην αρχιτεκτονική των κτισμάτων εξελίχθηκε περαιτέρω στην Αρ-

χαία Ρώμη και έκτοτε πολλοί λαοί ανεγείρουν όλο και πιο εξελιγμένα κτίσματα λαμβάνο-

ντας υπ’ όψιν τους τον ήλιο.

Εικόνα1.1:. Στο βόρειο ημισφαίριο, ο ήλιος ανατέλλει στα νοτιοανατολικά και δύει νοτιοδυτικά τους χειμερινούς μήνες. Τους θερινούς μήνες ανατέλλει στα βορειοανατολικά

και δύει νοτιοδυτικά ενώ το μεσημέρι βρίσκεται ψηλά στον ουρανό.

Πέραν όμως από την άμεση χρήση της ηλιακής ενέργειας για τη θέρμανση των κτι-

σμάτων, Έλληνες, Κινέζοι και Ρωμαίοι τη χρησιμοποίησαν συγκεντρωμένη και για άλλες

εργασίες, όπως ο καυτηριασμός πληγών και το άναμμα φωτιάς. Με χρήση κυρτών φακών

και κοίλων κατόπτρων κατάφερναν να συγκεντρώνουν τις αχτίνες του ήλιου και με τον

τρόπο αυτό να προσδώσουν μεγάλη θερμότητα σ’ ένα συγκεκριμένο σημείο. Τα κάτο-

πτρα αυτά φτιάχνονταν από φυσικό κρύσταλλο. Η πρώτη καταγεγραμμένη αναφορά στη

λειτουργία και τη χρήση κοίλων ηλιακών κατόπτρων έγινε από τον Ευκλείδη τον 3ο π.Χ.

αιώνα. Με το άναμμα φωτιάς με κάτοπτρα πρωτοχρησιμοποιήθηκε η ηλιακή ενέργεια για

την παρασκευή φαγητού.

Ιστορικά στοιχεία αποδεικνύουν πως τον 13ο αιώνα χρησιμοποιήθηκε η ηλιακή ενέργεια

μ’ ένα νέο τρόπο, για την ξήρανση φρούτων, λαχανικών, ψαριών και κρέατος ώστε να

διατηρούνται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Τον 16ο αιώνα άρχισαν να διαδίδονται τα

πρώτα θερμοκήπια (χώροι όπου σ’ έναν κλειστό όγκο εισάγεται ηλιακή ενέργεια χωρίς να

υπάρχει συναλλαγή αέρα με το περιβάλλον). Η τεχνολογία αυτή, αν και ήταν γνωστή από

τα Ρωμαϊκά χρόνια, δεν ήταν διαδεδομένη, καθώς το κόστος του γυαλιού που χρησιμοποι-

ούνταν για την απομόνωση του εσωτερικού από τον εξωτερικό αέρα ήταν μεγάλο.


Τον 17ο αιώνα, ο Γερμανός φυσικός E.W. von Tschirnhousen, χρησιμοποιώντας με-

γάλους φακούς κατάφερε να βράσει νερό μέσα σε πήλινο δοχείο, πράγμα που έκανε

φανερό το γεγονός πως η συγκεντρωμένη ηλιακή ενέργεια επαρκεί για το μαγείρεμα

φαγητού. Η πρώτη καταγεγραμμένη προσπάθεια «ηλιακού μαγειρέματος» ανήκει στον

Horace de Saussure, ο οποίος χρησιμοποιώντας την τεχνολογία του θερμοκηπίου (πα-

γίδα θερμότητας) μαγείρεψε φρούτα. Συγκεκριμένα τοποθέτησε τα φρούτα μέσα σε 5

στρώσεις γυαλιού πάνω σ’ ένα μαύρο τραπέζι. Η θερμοκρασία στη μαύρη επιφάνεια

έφτασε τους 109 ˚C. Ο Saussure πειραματίστηκε, επίσης, χρησιμοποιώντας μονωτικά

υλικά, μαγειρεύοντας σε διαφορετικό ύψος, κ.α.

Τις δεκαετίες του 1860-70 ο Γάλλος μαθηματικός Augustin Mouchot κατασκεύασε έναν

πολύ πιο αποδοτικό φούρνο συνδυάζοντας τόσο την τεχνολογία των κατόπτρων όσο και

αυτή του θερμοκηπίου. Ανέπτυξε την τεχνολογία, αντιλαμβανόμενος το μεγάλο ηλιακό

δυναμικό των γαλλικών αποικιών στη Βόρεια Αφρική και την Ασία. Κατάφερε να κατα-

σκευάσει έναν ηλιακό φούρνο με μεταλλικό κάτοπτρο, που έψηνε ψωμί για τους Γάλλους

στρατιώτες στην Αλγερία σε 3 ώρες και ατμομηχανή που λειτουργούσε με ηλιακή ενέρ-

γεια. Με την εξομάλυνση των σχέσεων μεταξύ Αγγλίας και Γαλλίας και την τροφοδότηση

της Γαλλίας με αγγλικό γαιάνθρακα, το ενδιαφέρον για την ηλιακή ενέργεια έφθινε και

ο Mouchot επέστρεψε στη διδασκαλία μαθηματικών. Άφησε, όμως, παρακαταθήκη το

πρώτο βιβλίο για την ηλιακή ενέργεια και τις βιομηχανικές της εφαρμογές.

Μέχρι το δεύτερο μισό του 20ου αιώνα δεν εκδηλώθηκε ιδιαίτερο ενδιαφέρον για το

ηλιακό μαγείρεμα, αν και αναπτύχθηκε περαιτέρω η ηλιοθερμική τεχνολογία με την

κατασκευή κινητήρων, αντλιών, θερμαντήρες νερού, κ.α. Μάλιστα, στα τέλη του 19ου

αιώνα, ο Αμερικάνος Aubrey Eneas, παρακολουθώντας τη δουλειά του Mouchot, ίδρυσε

εταιρεία παραγωγής ενέργειας, μέσω του ήλιου, χρησιμοποιώντας ένα τεράστιο παραβο-

λικό κάτοπτρο. Παρόμοιες ενέργειες έγιναν και από άλλους επιστήμονες ανά τον κόσμο.

Ο βασικότερος λόγος για τη μικρή διείσδυση της ηλιακής ενέργειας στην ενεργειακή

κατανάλωση μέχρι τα μέσα του 20ου αιώνα είναι η «ψευδαίσθηση» της ανθρωπότητας

και ιδιαίτερα των κυβερνώντων πως τα ορυκτά καύσιμα αποτελούν μια ανεξάντλητη και

φθηνή πηγή ενέργειας, που δεν προκαλούν ιδιαίτερα προβλήματα στο περιβάλλον. Επι-


πλέον, τα οικονομικά συμφέροντα που διαχειρίζονται τα ορυκτά καύσιμα είναι απρόθυμα

να σταματήσουν αυτή την επικερδέστατη δραστηριότητα.

Στα τέλη του 1950, η επιστήμονας του MIT Maria Telkes, έφερε στο προσκήνιο το

ηλιακό μαγείρεμα ως ένα από τα μέτρα για τη χρησιμοποίηση της ηλιακής ενέργειας και

την εξοικονόμηση στα σπίτια. Κατασκεύασε έναν ηλιακό φούρνο τύπου κουτιού (βλ. στα

είδη φούρνων) με τέσσερα μεγάλα κάτοπτρα και δύο στρώματα γυαλιού για αύξηση της

απόδοσης της ηλιακής παγίδας.

Από τότε πολλοί επιστήμονες και ομάδες πειραματίστηκαν και σχεδίασαν ηλιακούς

φούρνους. Ο ΟΗΕ στήριξε εκείνη την προσπάθεια παρέχοντας ηλιακούς φούρνους σε

υποανάπτυκτες χώρες με μεγάλη ηλιοφάνεια, ώστε να μειωθεί η αποψίλωση δασών. Το

σχέδιο τελικά απέτυχε και καθώς η ενημέρωση ήταν ελλιπής σε πολλά μέρη οι φούρνοι

χρησιμοποιήθηκαν ως καύσιμο, αποδεικνύοντας πως οι παραδοσιακοί μέθοδοι μαγειρέ-

ματος ήταν βαθιά ριζωμένοι στην κουλτούρα ορισμένων πληθυσμών.

Το 1955 ιδρύθηκε η Ένωση για την Εφαρμοσμένη Ηλιακή Ενέργεια (Association for

Applied Solar Energy) από την οποία προέκυψε αργότερα ο Διεθνής Όμιλος Ηλιακής

Ενέργειας (International Solar Energy Society). Μετά την παγκόσμια πετρελαϊκή κρίση,

η έρευνα γύρω από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έγινε εντονότερη. Γύρω από τους

ηλιακούς φούρνους, επικεντρώθηκε στη χρήση νέων υλικών, τον σχεδιασμό νέων μο-

ντέλων και την επίτευξη υψηλής απόδοσης με χαμηλό κόστος και ευκολία κατασκευής

ακόμα και από τον χρήστη του φούρνου. Το 1987 ιδρύθηκε η Διεθνής των Ηλιακών

Μαγείρων (Solar Cookers International) σε μια προσπάθεια διασύνδεσης όλων όσοι

ασχολούνται με ηλιακούς φούρνους και την προώθησή τους. Έκτοτε πολλές οργανώσεις

έχουν δραστηριοποιηθεί στην προώθηση των ηλιακών φούρνων ιδιαίτερα στις υποανά-

πτυκτες και τις αναπτυσσόμενες χώρες.

Το γεγονός ότι τουλάχιστον 1 δις άνθρωποι θα μπορούσαν να επωφεληθούν από τη

χρήση ηλιακών φούρνων με μικρό πάγιο κόστος, αποφεύγοντας τη χρήση ορυκτών καυ-

σίμων και την αποψίλωση δασών, τονίζει το περιβαλλοντικό όφελος που αυτή η τεχνο-

λογία μπορεί να προσφέρει.


2. ΗΛΙΑΚΟΣ ΦΟΥΡΝΟΣ

Οι ηλιακοί φούρνοι είναι συσκευές που χρησιμοποιούν την ηλιακή ακτινοβολία σαν

πηγή ενέργειας. Δεν χρησιμοποιούν κάποιο καύσιμο, συνεπώς δεν εκπέμπουν βλαβε-

ρά συστατικά στην ατμόσφαιρα, καθώς, επίσης, δεν χρειάζονται και ηλεκτρικό ρεύμα.

Η χρήση τους προωθείται από διάφορες οργανώσεις προκειμένου να καθυστερείται η

αποψίλωση των δασών από τη χρήση του ξύλου ως καυσίμου για το μαγείρεμα. Επιπρό-

σθετα, οι ηλιακοί φούρνοι είναι κατάλληλοι για χρήση σε περιπτώσεις όπου η ελάχιστη

κατανάλωση καυσίμου, καθώς και ο κίνδυνος φωτιάς είναι παράγοντες σημαντικοί.

2.1 Αρχές λειτουργίας ηλιακού φούρνου

Οι βασικές αρχές που διέπουν τη λειτουργία των ηλιακών φούρνων είναι οι

παρακάτω :

• Συγκέντρωση ηλιακής ακτινοβολίας: Κάποιο στοιχείο της κατασκευής ενός ηλιακού

φούρνου (καθρέπτης, μέταλλο ανακλαστικό κλπ) χρησιμοποιείται για να συγκεντρώ-

σει την ηλιακή ακτινοβολία σε μία πιο περιορισμένη έκταση, την περιοχή του μαγειρέ-

ματος, αυξάνοντας τη συγκέντρωση ισχύος στον χώρο αυτό.

• Μετατροπή ακτινοβολίας σε θερμότητα: Η σχεδίαση του εσωτερικού αποσκοπεί στη μετατρο-

πή της ακτινοβολίας σε θερμότητα. Η επιλογή των υλικών, του χρώματος του εσωτερικού

του φούρνου, καθώς και τα υλικά και χρώματα των σκευών πρέπει να αποσκοπούν στην

αύξηση της αποτελεσματικότητας μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμότητα.

• Εγκλωβισμός θερμότητας: Η κατασκευή πρέπει να είναι τέτοια, ώστε να ελαχιστοποι-

ούνται πιθανές απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον.

Κάθε μία από τις παραπάνω αρχές σχεδιασμού δεν είναι ικανή από μόνη της να δώσει

το επιθυμητό αποτέλεσμα. Συνεπώς, συνδυασμός αυτών σε διάφορους σχεδιασμούς φέ-

ρουν το επιθυμητό αποτέλεσμα.

2.2 Τύποι ηλιακών φούρνων

Υπάρχουν διάφοροι τύποι ηλιακών φούρνων. Οι κυριότεροι τύποι καθώς και τα χαρα-

κτηριστικά τους παρατίθενται παρακάτω.


2.2.1 Φούρνος κουτί (Box cooker)

Εικόνα 2.1:Φούρνος Κουτί.

Η μόνωση σε έναν τέτοιο φούρνο πρέπει να είναι τέτοια, ώστε να αντέχει σε θερμο-

κρασίες μέχρι και 1500 C χωρίς να καταστρέφεται. Το διαφανές κάλυμμα είναι από γυα-

λί ή πλαστικό ή κάποιο αναλώσιμο υλικό όπως σακούλα ψησίματος. Το εσωτερικό του

φούρνου πρέπει να είναι σκουρόχρωμο όπως και τα χρησιμοποιούμενα σκεύη. Εάν δεν

χρησιμοποιηθεί υλικό σκουρόχρωμο, μπορεί να βαφτεί με κατάλληλη μη τοξική σε υψη-

λή θερμοκρασία βαφή .

Ο ηλιακός φούρνος αυτού του τύπου πετυχαίνει θερμοκρασίες έως 150° C. Ο ιδανι-

κός χρόνος για την εκκίνηση του ψησίματος, καθώς και ο χρόνος που θα διαρκέσει αυτό

εξαρτώνται από τον καιρό που επικρατεί στον χώρο, καθώς και από το γεωγραφικό πλά-

τος. Πέρα από τη διαδικασία του μαγειρέματος, ο φούρνος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για

παστεριοποίηση γάλατος και νερού, όπου αυτό είναι απαραίτητο.

Μπορούν να κατασκευαστούν τέτοιες συσκευές με υλικά διαθέσιμα τοπικά, ή να κα-

τασκευαστούν σε κάποια γραμμή παραγωγής. Το μέγεθός τους ποικίλει ανάλογα με την

εφαρμογή.

2.2.2 Πλαισιωμένος φούρνος (Panel cooker)

Αυτός ο τύπος είναι ιδιαίτερα φθηνός και απλός στην κατασκευή. Αποτελείται από

εύκαμπτα τμήματα που κατευθύνουν την ηλιακή ακτινοβολία προς το μαγειρικό σκεύος,

το οποίο είναι κλεισμένο σε διάφανη πλαστική σακούλα προκειμένου να μειώνονται οι


απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον.

Είναι ελαφριά κατασκευή και ιδιαίτερα εύκολη στην αποθήκευση. Τα υλικά που χρησιμο-

ποιούνται είναι πολύ φθηνά καθιστώντας την ιδανική λύση για μαζική παραγωγή και χρήση

στον αναπτυσσόμενο κόσμο. Η θερμοκρασία που επιτυγχάνεται δεν είναι ιδιαίτερα υψηλή,

είναι όμως αρκετή για παστερίωση ή μαγείρεμα φαγητού μεγέθους κόκκων ρυζιού.

Εικόνα 2.2: Panel cooker

Παρ’ όλα αυτά, ημέρα με έντονη ηλιοφάνεια η θερμοκρασία είναι αρκετή για μαγεί-

ρεμα κρέατος λαχανικών και ρυζιού για μία οικογένεια 5 ατόμων. Το μαγειρικό σκεύος

πρέπει και σε αυτή την περίπτωση να είναι σκούρου χρώματος, σκεπασμένο με σφιχτά

εφαρμοσμένο καπάκι. Για ταχύτερο μαγείρεμα το σκεύος ανυψώνεται ελάχιστα από τη

βάση προκειμένου να κυκλοφορεί ο θερμός αέρας κάτω από αυτό.

Εικόνα 2.3: Hotpot

Ειδικό σκεύος έχει κατασκευαστεί για μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα. Το HotPot

αποτελείται από ένα διάφανο σκεύος, μέσα στο οποίο βρίσκεται μία μαύρη κατσαρόλα.

Το καπάκι του είναι διάφανο, ώστε να γίνεται ο έλεγχος του φαγητού χωρίς να έχουμε

απώλειες θερμότητας.


2.2.3 Παραβολική εστία (Parabolic cooker)

Αυτοί οι τύποι ηλιακών εστιών μπορούν να μαγειρέψουν το ίδιο αποτελεσματικά με

συμβατικές, όμως, είναι δύσκολες στην κατασκευή. Μπορούν να επιτύχουν υψηλές θερ-

μοκρασίες μειώνοντας τον χρόνο μαγειρέματος, αλλά απαιτούν συχνή ρύθμιση ως προς

τη θέση του ήλιου και επίβλεψη για ασφαλή λειτουργία. Αποτελεί ιδανική λύση για περι-

πτώσεις όπου επιθυμείται ομαδικό μαγείρεμα.

Εικόνα 2.4: Παραβολική εστία

Αξίζει να αναφερθεί το solar bowl, που χρησιμοποιήθηκε στην Ινδία. Η θερμοκρασία

που αναπτύσσει σε ημέρα με ηλιοφάνεια είναι 150° C και σ’ αυτήν την περίπτωση υπάρ-

χει δυνατότητα κάλυψης των αναγκών 1000 ατόμων για 2 μερίδες την ημέρα.

Εικόνα 2.5: Solar bowl


2.2.4 Υβριδική ηλιακή εστία (Hybrid cooker)

Η υβριδική ηλιακή εστία χρησιμοποιεί τα στοιχεία ενός solar box cooker μαζί με συμ-

βατικά ηλεκτρικά στοιχεία θέρμανσης.

Συνεπώς, μπορεί να λειτουργήσει νύχτα ή συννεφιασμένη ημέρα, ή να ανεβάσει τη

θερμοκρασία του σε ημέρα με μέτρια ηλιοφάνεια. Αυτός ο τύπος εστίας είναι πιο ανε-

ξάρτητος από τις καιρικές συνθήκες και είναι περισσότερο διαδεδομένος σε περιπτώσεις

αναπτυσσόμενων χωρών, λόγω του αυξημένου κόστους του.

Εικόνα 2.6: Υβριδική εστία

3. ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΣΤΙΑΣ ΑΝΑ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ

Το ένα τρίτο του πληθυσμού της γης ετοιμάζει το γεύμα του καίγοντας ξύλα για φωτιά.

Περίπου το ένα τέταρτο του πληθυσμού ζει σε περιοχές με έντονη ηλιοφάνεια. Υπολογί-

ζεται σήμερα ότι 1 δις άνθρωποι μπορούν να ωφεληθούν από ηλιακούς φούρνους.

Οι περισσότεροι από αυτούς ζουν στις χώρες που έχουν ταξινομηθεί στον Πίνακα 3.1.

Αυτές οι ταξινομήσεις βασίζονται στη συνολική μέση ηλιακή ακτινοβολία σε ετήσια βάση

(Πηγή από NASA), τα εθνικά αποθέματα καυσίμου και ισοζύγια εισαγωγών , τις αναμενό-

μενες τιμές πληθυσμών για 2020 (δεδομένα από Ηνωμένα Έθνη) και, τέλος, τις αναμε-

νόμενες τιμές (%) του πλήθους των ατόμων που ζουν σε περιοχές έντονης ηλιοφάνειας

και έλλειψης καυσίμου.

Τα κριτήρια που χρησιμοποιήθηκαν για την ταξινόμηση είναι τα παρακάτω:


1. Έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία: Η ποσότητα της ακτινοβολίας που φτάνει στο έδα-

φος (μετράται συνήθως σε Watts ανά τετραγωνικό μέτρο). Αυτό το ποσό ποικίλει ανά-

λογα με την εποχή, την ημέρα, την ώρα και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες.

Βαθμονόμηση : 1,86 terawatt hour/m2 = 1 ,περιοχές με 2,09 ή περισσότερο = 2

2. Το ποσοστό % κάθε χώρας σε δασικές περιοχές (από UNFAO).

3. Αναμενόμενες τιμές πληθυσμών για το 2020 (από UN).

4. Υπολογιζόμενη αναλογία πληθυσμών με έλλειψη αποθεμάτων καυσίμου και εκατοστι-

αία δασική κάλυψη.

5. Το ποσοστό % του πληθυσμού που είναι αστικό (UN data). Χώρες με 30% ή λιγότερο

αστικού πληθυσμού βαθμολογούνται με 1% παραπάνω.

6. Αναμενόμενο % πληθυσμού κάθε χώρας με καλή έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία και

έλλειψη καυσίμου.

7. Το ποσοστό % του πληθυσμού που έχει πρόσβαση σε πόσιμο νερό. Χώρες με ποσοστό

μικρότερο του 50% βαθμονομούνται με +1%

Πίνακας 3.1: 25 Χώρες με τις καλύτερες προοπτικές για χρήση ηλιακού φούρνου

Annual insola-tion:

2=best1=good(NASA)

% for-est/

wood-lands

(UNFAO data)

Est. fuel scarcity2 = >1/2 pop.,

1=<1/2 pop.(SCI est.)

Est. popula-

tion2020 (in millions)

(UN data)

Est. % pop. with

Both sun & fuel

scarcity

Est. no. of people

with both sun

& fuel scarcity 2020 (in millions)

ASIA

1 India 1.2 21 2 1,312 12% 157.4

2 China 1 16 2 1,402 7% 98.1

3 Pakistan 1.5 4 2 227 20% 45.4

10 Afghanistan 1 2 2 40 17% 6.8

12 Nepal 1 33 2 35 17% 6.0

22 Sri Lanka 1 35 1 21 11% 2.3

E.S. AFRICA

4 Ethiopia 1.5 5 2 105 23% 24.2

6 S. Africa 2 7 1 44 20% 11.0


8 Uganda 1 26 2 47 16% 7.5

9 Tanzania 1 45 1 50 15% 7.5

11 Sudan 2 30 1 93 15% 6.6

13 Kenya 1 32 1 39 15% 5.9

14 Somalia 2 13 2 18 27% 4.9

16 Moz/que 2 40 1 24 16% 3.8

19 Madagascar 1 22 1 27 11% 3.0

20 Malawi 1 34 2 17 16% 2.7

21 Zimbabwe 2 58 2 13 20% 2.6

23 Eritrea 2 14 2 7 27% 1.9

25 Zambia 1 54 1 14 8% 1.1

W. AFRICA

5 Nigeria 0.5 19 1 177 7% 12.4

15 Niger 2 2 1 22 22% 4.8

17 Burkina Faso 0.5 27 1 21 16% 3.4

AMERICA

7 Brazil 0.75 67 1 210 4% 8.4

18 Haiti 2 6 2 10 31% 3.1

24 Dominican Republic 2 28 1.5 11 15% 1.7

TOTAL 3,959 433.6


Στον δυτικό κόσμο, που μπορούμε να πούμε ότι θα αφορούσε περισσότερο η παρούσα

εργασία, η χρήση ηλιακής εστίας δεν είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη, καθώς το μαγείρεμα με

την ηλιακή ακτινοβολία είναι χρονοβόρα εργασία, γεγονός που δεν συμβαδίζει με τους

ρυθμούς ζωής του ανεπτυγμένου κόσμου. Έτσι η τοποθέτηση ενός ηλιακού φούρνου

στην ταράτσα μιας πολυκατοικίας θα μπορούσε να εξυπηρετήσει το μαγείρεμα ημέρες

αργίας και διακοπών.

4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΣΤΙΑΣ

Με βάση τα χαρακτηριστικά του κάθε τύπου ηλιακής εστίας καταλήγουμε στην παρα-

βολική εστία, η οποία επιτυγχάνει τις υψηλότερες θερμοκρασίες και τον συντομότερο

χρόνο παρασκευής του φαγητού, παράμετρος που παίζει σημαντικό ρόλο στο σύγχρονο

αστικό περιβάλλον. Οι παραβολικές ηλιακές εστίες είναι οι πιο αποδοτικές, αφού έχουν

τη δυνατότητα να συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία σ’ ένα συγκεκριμένο σημείο,

που ονομάζεται σημείο εστίασης. Λόγω της πολυπλοκότητας κατασκευής τους, σε σχέση

με του άλλου είδους ηλιακές εστίες, είναι πιο ακριβές, αλλά το κόστος αυτό μπορεί να

μειωθεί αρκετά ανάλογα με τα υλικά που θα χρησιμοποιηθούν και το μέγεθος της εγκα-

τάστασης. Ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή της προτεινόμενης παραβολικής ηλιακής

εστίας, η οποία προορίζεται για χρήση σε ταράτσα πολυκατοικίας.

Το κάτοπτρο της ηλιακής εστίας έχει παραβολικό σχήμα συνολικής επιφάνειας 2m2 και

μπορεί να δεχτεί μαγειρικό σκεύος χωρητικότητας 10 λίτρων. Η επιφάνεια αντανάκλασης

της ηλιακής ακτινοβολίας του κατόπτρου μπορεί να αποτελείται είτε από ένα κοίλο ενιαίο

κομμάτι καθρέπτη είτε από μικρότερα κομμάτια καθρέπτη, κατάλληλα τοποθετημένα στο

πολυεστερικό πλαίσιο στήριξής του. Για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης αυτού, αλλά

και ευκολία χρήσης πρέπει το παραβολικό πιάτο να ακολουθεί συνεχώς την πορεία του

ήλιου, έτσι, ώστε ανάλογα με την ωριαία γωνία και την ηλιακή απόκλιση να έχουμε μέγι-

στη συγκέντρωση ηλιακής ακτινοβολίας. Η ωριαία γωνία είναι η γωνιακή μετατόπιση του

ηλίου ανατολικά ή δυτικά του τοπικού μεσημβρινού, λόγω της περιστροφής της γης περί

τον άξονα της με ρυθμό 15ο ανά ώρα δηλαδή 0,25ο ανά λεπτό. Ηλιακή απόκλιση καλείται

η γωνιακή θέση του ηλίου κατά το ηλιακό μεσημέρι ως προς το επίπεδο του ισημερινού.


Για να επιτευχθεί αυτή η κίνηση του παραβολικού πιάτου θα πρέπει να προσαρμοστούν

σ’ αυτό μηχανισμοί που θα του επιτρέπουν ελευθερία άρθρωσης.

Για την οικονομικότητα της κατασκευής σε συνδυασμό με πρακτικότητα επιλέγεται η

οριζόντια μετακίνηση, (αυτή δηλαδή που εξαρτάται από την ωριαία γωνία, καθώς είναι

η ταχύτερα μεταβαλλόμενη) να γίνεται με ηλεκτρονικό - αυτόματο τρόπο. Συνεπώς,

ηλεκτρικό μοτέρ με κατάλληλη σχέση μετάδοσης θα περιστρέφει ως προς τον οριζόντιο

άξονα το παραβολικό κάτοπτρο από τη στιγμή που θα αρχίζει η διαδικασία του ψησίματος

μέχρι να τελειώσει. Η αρχική του θέση θα βρίσκεται με χειροκίνητο τρόπο, έτσι, ώστε να

μην απαιτούνται πολύπλοκα και ενεργοβόρα ηλεκτρονικά συστήματα. Η γωνία που ορίζει

η ηλιακή απόκλιση θα ρυθμίζεται με χειροκίνητο τρόπο, καθώς αυτή αλλάζει με βάση την

εποχή, συνεπώς δεν απαιτεί συχνή ρύθμιση. Με αυτό τον τρόπο δεν απαιτείται συνεχής

παρακολούθηση της διαδικασίας του ψησίματος.

Σε αντιστοιχία με τη συμβατική κουζίνα ( 4 εστίες ) προτείνεται η τοποθέτηση 2 δια-

φορετικών διαμέτρου κάτοπτρα με αντίστοιχα σκεύη. Αυτή η επιλογή προσφέρει ευελιξία

και πρακτικότητα στον τρόπο και την ποσότητα μαγειρέματος.

Η εφαρμογή της ηλιακής κουζίνας σε πολυκατοικία πρέπει να καλύπτει τις ανάγκες

παραπάνω από μίας οικογένειας, συνεπώς προτείνεται πολλαπλή χρήση με τοποθέτηση

πολλών συσκευών, όπως αυτές που περιγράφονται παραπάνω.

Για λόγους ασφάλειας και αισθητικής, όταν η συσκευή δεν είναι σε χρήση, απαιτείται η

εφαρμογή κάποιου μέτρου προστασίας. Προτείνουμε το παραβολικό κάτοπτρο σ’ αυτήν

την περίπτωση να ασφαλίζει σε θέση με τα κοίλα προς τα κάτω (δάπεδο της ταράτσας).

Τα προτεινόμενα για χρήση σκεύη (με βάση τα οποία θα υπολογίσουμε τα κάτοπτρα)

είναι χωρητικότητας 2 και 10 λίτρων και είναι ειδικής κατασκευής και χρώματος. Η σχεδί-

αση του σκεύους μαγειρέματος (Hot Pot) είναι τέτοια ώστε να επιτυγχάνεται το ταχύτερο

δυνατό ψήσιμο του φαγητού. Ένα χαλύβδινο, μαύρο σκεύος είναι τοποθετημένο μέσα

σ’ ένα γυάλινο, διαφανές δοχείο, έτσι ώστε η μεταξύ τους απόσταση να μην ξεπερνάει

τα 1,2 cm. Το κενό αέρα που δημιουργείται χρησιμεύει στο να παγιδεύει τη θερμότητα

στο εσωτερικό του σκεύους, με συνέπεια να αναπτύσσονται μεγαλύτερες θερμοκρασίες,

όπου σε μια ηλιόλουστη μέρα μπορεί να αγγίζουν τους 140°C. Το γυάλινο δοχείο στεγα-


νοποιείται με αντίστοιχο γυάλινο καπάκι, το οποίο εφαρμόζει και κλείνει αεροστεγώς το

δοχείο, ώστε να μειωθούν όσο το δυνατόν περισσότερο οι απώλειες θερμότητας.

Παραθέτουμε ένα πρότυπο ηλιακής εστίας που θα ακολουθεί τα κριτήρια που ανα-

λύσαμε στην εργασία. Ο σχεδιασμός έγινε σε πρόγραμμα 3d σχεδιασμού (Solidworks),

ενώ οι εικόνες φωτορεαλισμού (render) έγιναν στο ίδιο πρόγραμμα. Οι διαστάσεις του

σχεδιάστηκαν, λαμβάνοντας υπόψη κάποια βασική εργονομία, αλλά και κάποια στοιχεία,

όπως η εστίαση του παράβολου σε συγκεκριμένο σημείο (hot spot). Στη συνέχεια, παρα-

τίθενται διάφορες όψεις των σχεδίων:

3.2. Σχέδια και όψεις της ηλιακής εστίας


5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η ηλιακή εστία αποτελεί μια πολύ σημαντική διέξοδο για τους κατοίκους τρίτων χωρών

που χρησιμοποιούν ακόμα συμβατικά καύσιμα για το μαγείρεμα και για άλλες ανάγκες

τους. Πρόκειται για μια φιλική προς το περιβάλλον συσκευή, απλή κατασκευή που όμως

είναι πολύ αργή σε σχέση με τους κλασικούς τρόπους μαγειρέματος. Για τον λόγο αυτό

δεν είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη στις ανεπτυγμένες χώρες. Η τοποθέτηση μιας ηλιακής

εστίας στην ταράτσα μιας πολυκατοικίας θα αποτελούσε μία ευχάριστη και φιλική προς

το περιβάλλον ενασχόληση στον ελεύθερο χρόνο μας.

6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1 Hilde M. Toonen, Adapting to an innovation: Solar cooking in the urban households

of Ouagadougou (Burkina Faso), 2008, [61-75].

2 Klemens Schwarzer, Maria Eugenia Vieira da Silva, Characterisation and design

methods of solar cookers, 2008, [157-163].

3 Michael Grupp, Marlett Balmer, Benjamin Beall, Hannelore Bergler, Joachim Cieslok,

David Hancock, Gerd Schroder, On-line recording of solar cooker use rate by a novel

metering device: Prototype description and experimental verification of output data,

2009, [276-279].

4 U.S. Mirdha, S.R. Dhariwal, Design optimization of solar cooker, 2008, [530 -

544].

5 N.M. Nahar, Design, development and testing of a double reflector hot box solar

cooker with a transparent insulation material, 2001, [1-13].

6 S.C. Kaushik and M.K. Gupta, Energy and exergy efficiency comparison of commu-

nity-size and domestic-size paraboloidal solar cooker performance, 2002, [60 64].

7 S. Joscrl Weizmann Institute of Science, Computing Center, Rehovot, Israel, 1989,

[1-4].

8 Chern Sing Lim, Li Li, Flux distribution of solar furnace using non-imaging focusing

heliostat, 2009 , [1–11].

9 Ishan Purohit, Pallav Purohit b , Instrumentation error analysis of a box-type solar


cooker , 2007, [365-375].

10 Atul Sharma, C.R. Chen, V.V.S. Murty , Anant Shukla , Solar cooker with latent heat

storage systems: A review, 2008, [1599-1605].

11 JOHN PERLIN, Solar Energy, History of sun, [607-622].

12 C. Alan Nichols P.E., C.E.M., THE TRACKING SOLAR COOKER, 1993, [1-11].

ΔΙΑΔΙΚΤΥΟ

1 http://solarcooking.org/

2 http://www.wikipedia.org/

3 http://science.howstuffworks.com/solar-cooking.htm

4 http://www.sciencedirect.com/

http://solarcooking.org/

http://www.wikipedia.org/

http://science.howstuffworks.com/solar-cooking.htm

http://www.sciencedirect.com/

ΗΛΙΑΚΕΣ ΕΣΤΙΕΣ

Documents

Transcript of ΗΛΙΑΚΕΣ ΕΣΤΙΕΣ