Fornello solare
I fornelli solari parabolici concentrano la luce del sole in un unico punto. Quando questo punto è focalizzato sul fondo di una pentola, può riscaldare rapidamente la pentola a temperature molto elevate che spesso possono essere paragonabili a quelle raggiunte nelle griglie a gas e a carbone. Questi tipi di cucine solari sono ampiamente utilizzati in diverse regioni del mondo, in particolare in Cina e in India, dove centinaia di migliaia di famiglie utilizzano attualmente cucine solari paraboliche per preparare il cibo e riscaldare l’acqua. Alcuni progetti di cucine solari paraboliche in Cina riducono da 1 a 4 tonnellate di anidride carbonica all’anno e ricevono crediti di carbonio attraverso il Clean Development Mechanism (CDM) e il Gold Standard.
Alcuni fornelli solari parabolici incorporano materiali e design all’avanguardia che portano a efficienze di energia solare >90%. Altri sono abbastanza grandi da nutrire migliaia di persone ogni giorno, come la ciotola solare di Auroville in India, che fa 2 pasti al giorno per 1.000 persone.
Se un riflettore è assialmente simmetrico e modellato in modo che la sua sezione trasversale sia una parabola, ha la proprietà di portare raggi di luce paralleli (come la luce del sole) a un punto focale. Se l’asse di simmetria è rivolto verso il sole, qualsiasi oggetto che si trova al centro riceve una luce solare altamente concentrata, e quindi diventa molto caldo. Questa è la base per l’uso di questo tipo di riflettore per la cottura solare.
Riflettori paraboloidaliModifica
I paraboloidi sono curve composte, che sono più difficili da realizzare con attrezzature semplici rispetto alle curve singole. Anche se i fornelli solari paraboloidali possono cucinare bene come o meglio di una stufa convenzionale, sono difficili da costruire a mano. Spesso, questi riflettori sono fatti usando molti piccoli segmenti che sono tutte curve singole che insieme approssimano curve composte.
Anche se i paraboloidi sono difficili da fare da fogli piatti di materiale solido, possono essere fatti abbastanza semplicemente ruotando contenitori a cielo aperto che contengono liquidi. La superficie superiore di un liquido che viene fatto ruotare a velocità costante intorno ad un asse verticale prende naturalmente la forma di un paraboloide. La forza centrifuga fa sì che il materiale si muova verso l’esterno dell’asse di rotazione finché non si forma una depressione abbastanza profonda nella superficie perché la forza sia bilanciata dall’effetto livellante della gravità. Si scopre che la depressione è un paraboloide esatto. (Se il materiale si solidifica mentre sta ruotando, la forma paraboloide viene mantenuta dopo l’arresto della rotazione, e può essere usata per fare un riflettore. Questa tecnica di rotazione è talvolta usata per fare specchi paraboloidi per telescopi astronomici, ed è stata anche usata per cucine solari. I dispositivi per costruire tali paraboloidi sono conosciuti come forni rotanti.
I riflettori paraboloidali generano alte temperature e cuociono rapidamente, ma richiedono frequenti regolazioni e supervisione per un funzionamento sicuro. Ne esistono diverse centinaia di migliaia, soprattutto in Cina. Sono particolarmente utili per la cucina individuale domestica e istituzionale su larga scala.
Un fornello Scheffler (dal nome del suo inventore, Wolfgang Scheffler) utilizza un grande riflettore idealmente paraboloide che viene fatto ruotare intorno a un asse parallelo a quello terrestre tramite un meccanismo meccanico, girando a 15 gradi all’ora per compensare la rotazione terrestre. L’asse passa attraverso il centro di massa del riflettore, permettendo di girarlo facilmente. Il recipiente di cottura si trova al centro che è sull’asse di rotazione, quindi lo specchio concentra la luce del sole su di esso tutto il giorno. Lo specchio deve essere occasionalmente inclinato su un asse perpendicolare per compensare la variazione stagionale della declinazione del sole. Questo asse perpendicolare non passa attraverso la pentola di cottura. Pertanto, se il riflettore fosse un paraboloide rigido, il suo fuoco non rimarrebbe fermo sulla camera di cottura mentre il riflettore si inclina. Per mantenere il fuoco fermo, la forma del riflettore deve variare. Rimane paraboloidale, ma la sua lunghezza focale e altri parametri cambiano quando si inclina. Il riflettore di Scheffler è quindi flessibile e può essere piegato per regolare la sua forma. È spesso costituito da un gran numero di piccole sezioni piane, come gli specchi di vetro, unite insieme da plastica flessibile. Una struttura che sostiene il riflettore include un meccanismo che può essere utilizzato per inclinarlo e anche piegarlo in modo appropriato. Lo specchio non è mai esattamente paraboloidale, ma è sempre abbastanza vicino ai fini della cottura.
A volte il riflettore rotante si trova all’esterno e la luce solare riflessa passa attraverso un’apertura in un muro in una cucina interna, spesso una grande cucina comune, dove si cucina.
I riflettori paraboloidali che hanno i loro centri di massa coincidenti con i loro punti focali sono utili. Possono essere facilmente girati per seguire i movimenti del sole nel cielo, ruotando intorno a qualsiasi asse che passa attraverso il fuoco. Si possono usare due assi perpendicolari, che si intersecano al fuoco, per permettere al paraboloide di seguire sia il moto giornaliero del sole che quello stagionale. La pentola rimane ferma al fuoco. Se il riflettore paraboloide è assialmente simmetrico ed è fatto di materiale di spessore uniforme, il suo centro di massa coincide con il suo fuoco se la profondità del riflettore, misurata lungo il suo asse di simmetria dal vertice al piano del bordo, è 1,8478 volte la sua lunghezza focale. Il raggio del bordo del riflettore è 2,7187 volte la lunghezza focale. Il raggio angolare del bordo, visto dal punto focale, è 72,68 gradi.
Trogoli paraboliciModifica
I trogoli parabolici sono usati per concentrare la luce del sole per scopi di energia solare. Sono state costruite alcune cucine solari che li utilizzano allo stesso modo. Generalmente, il trogolo è allineato con la sua linea focale orizzontale ed est-ovest. Il cibo da cuocere è disposto lungo questa linea. Il trogolo è puntato in modo che il suo asse di simmetria punti verso il sole a mezzogiorno. Questo richiede che il trogolo sia inclinato su e giù con l’avanzare delle stagioni. Agli equinozi, nessun movimento del trogolo è necessario durante il giorno per seguire il sole. In altri periodi dell’anno, c’è un periodo di diverse ore intorno a mezzogiorno ogni giorno in cui non è necessario seguire il sole. Di solito, il forno viene usato solo durante questo periodo, quindi non è incorporato alcun inseguimento automatico del sole. Questa semplicità rende il design attraente, rispetto all’uso di un paraboloide. Inoltre, essendo una singola curva, il riflettore trough è più semplice da costruire. Tuttavia, soffre di una minore efficienza.
È possibile utilizzare due trogoli parabolici, curvati in direzioni perpendicolari, per portare la luce del sole ad un punto di fuoco come fa un riflettore paraboloidale.La luce in arrivo colpisce uno dei trogoli, che la invia verso una linea di fuoco. Il secondo trogolo intercetta la luce convergente e la mette a fuoco su un punto.
Rispetto a un singolo paraboloide, l’uso di due trogoli parziali ha importanti vantaggi. Ogni trogolo è una singola curva, che può essere fatta semplicemente piegando una lastra piatta di metallo. Inoltre, la luce che raggiunge la pentola mirata è diretta approssimativamente verso il basso, il che riduce il pericolo di danni agli occhi di chiunque si trovi nelle vicinanze. D’altra parte, ci sono degli svantaggi. È necessario più materiale per lo specchio, il che aumenta il costo, e la luce viene riflessa da due superfici invece di una, il che aumenta inevitabilmente la quantità che viene persa.
I due trogoli sono tenuti in un orientamento fisso l’uno rispetto all’altro essendo entrambi fissati ad un telaio. L’intero gruppo di telaio e trogoli deve essere spostato per seguire il sole mentre si muove nel cielo. Sono disponibili fornelli fatti commercialmente che usano questo metodo.Nelle applicazioni pratiche (come nei fari delle auto), gli specchi concavi sono di forma parabolica
Riflettori sfericiModifica
I riflettori sferici funzionano come i riflettori paraboloidali, in modo che l’asse di simmetria sia puntato verso il sole in modo che la luce si concentri su un fuoco. Tuttavia, il fuoco di un riflettore sferico non sarà un punto di fuoco perché soffre di un fenomeno noto come aberrazione sferica. Alcune parabole concentranti (come le parabole satellitari) che non richiedono un fuoco preciso optano per una curvatura sferica piuttosto che un paraboloide. Se il raggio del bordo del riflettore sferico è piccolo rispetto al raggio di curvatura della sua superficie (il raggio della sfera di cui il riflettore fa parte), il riflettore si approssima ad un paraboloide con lunghezza focale pari alla metà del raggio di curvatura.
Tecnologia dei tubi sottovuotoModifica
I fornelli solari a tubi sottovuoto sono essenzialmente sigillati sotto vuoto tra due strati di vetro. Il vuoto permette al tubo di agire sia come una “super” serra che come un isolante. Il tubo di cottura centrale è fatto di vetro borosilicato, che è resistente allo shock termico, e ha un vuoto sotto la superficie per isolare l’interno. L’interno del tubo è rivestito di rame, acciaio inossidabile e nitrile di alluminio per assorbire e condurre meglio il calore dei raggi solari.