Solarkocher
Parabolische Solarkocher konzentrieren das Sonnenlicht auf einen einzigen Punkt. Wenn dieser Punkt auf den Boden eines Topfes fokussiert wird, kann er den Topf schnell auf sehr hohe Temperaturen erhitzen, die oft mit den Temperaturen vergleichbar sind, die in Gas- und Holzkohlegrills erreicht werden. Diese Art von Solarkochern ist in mehreren Regionen der Welt weit verbreitet, vor allem in China und Indien, wo Hunderttausende von Familien Parabolspiegel-Solarkocher für die Zubereitung von Speisen und die Erwärmung von Wasser nutzen. Einige Parabol-Solarkocher-Projekte in China reduzieren zwischen 1-4 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr und erhalten Kohlenstoffgutschriften im Rahmen des Clean Development Mechanism (CDM) und des Gold Standard.
Einige Parabol-Solarkocher verwenden modernste Materialien und Konstruktionen, die zu einer Solarenergie-Effizienz von >90% führen. Andere sind groß genug, um Tausende von Menschen täglich zu ernähren, wie die Solarschüssel in Auroville in Indien, die täglich zwei Mahlzeiten für 1.000 Menschen zubereitet.
Wenn ein Reflektor achsensymmetrisch und so geformt ist, dass sein Querschnitt eine Parabel ist, hat er die Eigenschaft, parallele Lichtstrahlen (z. B. Sonnenlicht) in einen Brennpunkt zu bringen. Wenn die Symmetrieachse auf die Sonne ausgerichtet ist, wird jedes Objekt, das sich im Brennpunkt befindet, von hochkonzentriertem Sonnenlicht getroffen und daher sehr heiß. Dies ist die Grundlage für die Verwendung dieser Art von Reflektoren für das solare Kochen.
Paraboloid-ReflektorenBearbeiten
Paraboloide sind zusammengesetzte Kurven, die mit einfachen Mitteln schwieriger herzustellen sind als einfache Kurven. Obwohl Paraboloid-Solarkocher genauso gut oder besser kochen können als ein herkömmlicher Herd, sind sie schwierig von Hand zu konstruieren. Häufig werden diese Reflektoren aus vielen kleinen Segmenten hergestellt, die alle Einzelkurven sind, die zusammen eine zusammengesetzte Kurve ergeben.
Obwohl Paraboloide nur schwer aus flachen Platten aus festem Material hergestellt werden können, lassen sie sich ganz einfach durch Drehen von oben offenen Behältern herstellen, die Flüssigkeiten enthalten. Die Oberseite einer Flüssigkeit, die mit konstanter Geschwindigkeit um eine vertikale Achse gedreht wird, nimmt natürlich die Form eines Paraboloids an. Die Zentrifugalkraft bewirkt, dass sich das Material von der Drehachse aus nach außen bewegt, bis sich eine ausreichend tiefe Vertiefung in der Oberfläche bildet, so dass die Kraft durch die ausgleichende Wirkung der Schwerkraft ausgeglichen wird. Es stellt sich heraus, dass die Vertiefung ein exaktes Paraboloid ist. (Siehe Flüssigspiegel-Teleskop.) Wenn das Material während der Rotation erstarrt, bleibt die Paraboloidform nach dem Ende der Rotation erhalten und kann zur Herstellung eines Reflektors verwendet werden. Diese Rotationstechnik wird manchmal zur Herstellung von Parabolspiegeln für astronomische Teleskope verwendet und wurde auch schon für Solarkocher eingesetzt.
Parabolspiegel erzeugen hohe Temperaturen und kochen schnell, müssen aber für einen sicheren Betrieb häufig eingestellt und überwacht werden. Es gibt mehrere hunderttausend davon, vor allem in China. Sie eignen sich vor allem für Privathaushalte und Großküchen.
Ein Scheffler-Kocher (benannt nach seinem Erfinder Wolfgang Scheffler) verwendet einen großen, idealerweise parabelförmigen Reflektor, der mit Hilfe eines mechanischen Mechanismus um eine Achse gedreht wird, die parallel zur Erdachse verläuft und sich um 15 Grad pro Stunde dreht, um die Erdrotation auszugleichen. Die Achse verläuft durch den Massenschwerpunkt des Reflektors, so dass dieser leicht gedreht werden kann. Der Kochtopf befindet sich im Brennpunkt, der auf der Drehachse liegt, so dass der Spiegel den ganzen Tag über das Sonnenlicht auf ihn konzentriert. Der Spiegel muss gelegentlich um eine senkrechte Achse gekippt werden, um die jahreszeitlichen Schwankungen der Deklination der Sonne auszugleichen. Diese senkrechte Achse geht nicht durch das Kochgefäß. Wäre der Reflektor ein starres Paraboloid, würde sein Brennpunkt beim Kippen des Reflektors daher nicht am Kochgefäß bleiben. Um den Brennpunkt zu fixieren, muss sich die Form des Reflektors ändern. Er bleibt paraboloidal, aber seine Brennweite und andere Parameter ändern sich, wenn er gekippt wird. Der Scheffler-Reflektor ist daher flexibel und kann gebogen werden, um seine Form anzupassen. Er besteht häufig aus einer großen Anzahl kleiner ebener Teile, z. B. aus Glasspiegeln, die durch flexiblen Kunststoff miteinander verbunden sind. Ein Gestell, das den Reflektor trägt, enthält einen Mechanismus, mit dem er gekippt und auch entsprechend gebogen werden kann. Der Spiegel ist nie exakt parabelförmig, aber immer nahe genug für Kochzwecke.
Manchmal befindet sich der rotierende Reflektor im Freien und das reflektierte Sonnenlicht gelangt durch eine Öffnung in der Wand in eine Innenküche, oft eine große Gemeinschaftsküche, in der gekocht wird.
Parabolreflektoren, deren Massenschwerpunkt mit ihrem Brennpunkt zusammenfällt, sind nützlich. Sie können leicht so gedreht werden, dass sie den Bewegungen der Sonne am Himmel folgen und sich um jede Achse drehen, die durch den Brennpunkt verläuft. Es können zwei senkrechte Achsen verwendet werden, die sich im Brennpunkt schneiden, so dass das Paraboloid sowohl der täglichen als auch der jahreszeitlichen Bewegung der Sonne folgen kann. Der Kochtopf bleibt im Brennpunkt stehen. Wenn der paraboloidale Reflektor achsensymmetrisch ist und aus einem Material gleichmäßiger Dicke besteht, fällt sein Massenschwerpunkt mit seinem Brennpunkt zusammen, wenn die Tiefe des Reflektors, gemessen entlang seiner Symmetrieachse vom Scheitelpunkt bis zur Ebene des Randes, das 1,8478-fache seiner Brennweite beträgt. Der Radius des Randes des Reflektors beträgt das 2,7187-fache der Brennweite. Der Winkelradius des Randes beträgt vom Brennpunkt aus gesehen 72,68 Grad.
ParabolrinnenBearbeiten
Parabolrinnen werden zur Konzentration des Sonnenlichts für Solarenergiezwecke verwendet. Es wurden einige Solarkocher gebaut, die sie auf die gleiche Weise nutzen. Im Allgemeinen ist die Rinne mit ihrer Brennlinie horizontal und in Ost-West-Richtung ausgerichtet. Die zu kochenden Lebensmittel werden entlang dieser Linie angeordnet. Der Trog wird so ausgerichtet, dass seine Symmetrieachse auf die Mittagssonne gerichtet ist. Dies erfordert, dass der Trog im Laufe der Jahreszeiten nach oben und unten gekippt wird. Zur Tagundnachtgleiche muss der Trog tagsüber nicht bewegt werden, um der Sonne zu folgen. Zu anderen Jahreszeiten gibt es täglich um die Mittagszeit einen Zeitraum von mehreren Stunden, in dem keine Nachführung erforderlich ist. In der Regel wird der Kocher nur während dieser Zeit verwendet, so dass keine automatische Sonnennachführung eingebaut ist. Diese Einfachheit macht die Konstruktion im Vergleich zur Verwendung eines Paraboloids attraktiv. Da es sich um eine einzige Kurve handelt, ist der Rinnenreflektor auch einfacher zu konstruieren. Er hat jedoch einen geringeren Wirkungsgrad.
Es ist möglich, zwei Parabolrinnen zu verwenden, die in rechtwinkligen Richtungen gebogen sind, um das Sonnenlicht zu einem Punktfokus zu bringen, wie es bei einem Paraboloidreflektor der Fall ist: Das einfallende Licht trifft auf eine der Rinnen, die es zu einem Linienfokus lenkt. Die zweite Rinne fängt das konvergierende Licht ab und fokussiert es auf einen Punkt.
Im Vergleich zu einem einzelnen Paraboloid hat die Verwendung von zwei Teilrinnen wichtige Vorteile. Jede Rinne ist eine einzige Kurve, die einfach durch Biegen eines flachen Blechs hergestellt werden kann. Außerdem wird das Licht, das den angestrebten Kochtopf erreicht, annähernd nach unten gelenkt, was die Gefahr einer Schädigung der Augen von Personen in der Nähe verringert. Andererseits gibt es aber auch Nachteile. Es wird mehr Spiegelmaterial benötigt, was die Kosten erhöht, und das Licht wird von zwei Oberflächen statt von einer reflektiert, was unweigerlich zu größeren Verlusten führt.
Die beiden Rinnen werden in einer festen Ausrichtung zueinander gehalten, indem beide an einem Rahmen befestigt werden. Die gesamte Baugruppe aus Rahmen und Rinnen muss bewegt werden, um der sich am Himmel bewegenden Sonne zu folgen. Es gibt kommerziell hergestellte Kocher, die diese Methode verwenden.In praktischen Anwendungen (z. B. in Autoscheinwerfern) sind Hohlspiegel parabolisch geformt
KugelreflektorenBearbeiten
Die Solarschüssel in Auroville, Indien
Kugelreflektoren funktionieren ähnlich wie Parabolspiegel, d.h. die Symmetrieachse ist auf die Sonne ausgerichtet, so dass das Licht auf einen Brennpunkt konzentriert wird. Der Brennpunkt eines sphärischen Reflektors ist jedoch kein Punktfokus, da er unter einem Phänomen leidet, das als sphärische Aberration bekannt ist. Einige konzentrierende Schüsseln (z. B. Satellitenschüsseln), die keinen präzisen Brennpunkt benötigen, entscheiden sich für eine sphärische Krümmung anstelle eines Paraboloids. Wenn der Radius des Randes eines sphärischen Reflektors klein ist im Vergleich zum Krümmungsradius seiner Oberfläche (dem Radius der Kugel, von der der Reflektor ein Teil ist), nähert sich der Reflektor einem Paraboloid mit einer Brennweite, die der Hälfte des Krümmungsradius entspricht.
VakuumröhrentechnikBearbeiten
Vakuumröhren-Solarkocher sind im Wesentlichen zwischen zwei Glasschichten vakuumversiegelt. Durch das Vakuum kann die Röhre sowohl als „Super“-Gewächshaus als auch als Isolator fungieren. Die zentrale Kochröhre besteht aus temperaturwechselbeständigem Borosilikatglas, unter dessen Oberfläche ein Vakuum herrscht, um das Innere zu isolieren. Das Innere der Röhre ist mit Kupfer, rostfreiem Stahl und Aluminiumnitril ausgekleidet, um die Wärme der Sonnenstrahlen besser zu absorbieren und zu leiten.