Principes de conception d’un four solaire à caisson

Le but de cet article est de récapituler les principes de base qui sont employés dans la conception des fours solaires à caisson.

Les gens utilisent d’abord les fours solaires pour cuire des aliments et pasteuriser l’eau bien que des utilisations supplémentaires soient continuellement développées. De nombreux facteurs tels que l’obtention de matériaux, la disponibilité des traditionnelles cuisinières à fuel, le climat, les préférences culinaires, les facteurs culturels et les capacités techniques affectent la venue des gens à la cuisson solaire.

Avec une compréhension des principes de base de l’énergie solaire et l’obtention de matériaux simples tels que du papier d'aluminium, du carton et du verre, on peut fabriquer un appareil solaire efficace pour cuisiner. Cet article décrit les principes de base de la conception solaire d'un four à caisson et identifie une large gamme de matériaux de construction potentiellement utiles.

Ces principes sont présentés en termes généraux pour qu’ils soient applicables à une large variété de problèmes de concept. Si la nécessité est de cuire la nourriture, de pasteuriser l’eau ou de sécher du poisson ou des graines, les principes basiques du solaire, du transfert de chaleur et des matériaux, sont appliqués. Nous attendons avec intérêt l'emploi d'une grande variété de matériaux et de techniques par les gens qui font une utilisation directe de l'énergie du soleil.

Voici les concepts généraux concernant la conception ou la modification d'un four solaire à caisson:

Principes de chaleur

Le but initial d’un four solaire à caisson est de chauffer des éléments: aliments froids, eau à purifier, instruments à stériliser, pour en mentionner quelques-uns.

Un caisson solaire cuit parce que l’intérieur de la boite est chauffée par l’énergie du soleil. Le rayon, à la fois direct et réfléchi, entre dans la boite solaire par le couvercle en verre ou en plastique. Il se transforme en énergie calorifique quand il est absorbé par les marmites et les surfaces sombres des parois. Cette chaleur interne monte en température dans le four solaire à caisson jusqu’à ce que les pertes de chaleur du four soient égales au gain de la chaleur solaire. Ces températures, suffisantes pour cuire des aliments et pasteuriser de l’eau, sont aisément atteintes.

Given two boxes that have the same heat retention capabilities, the one that has more gain, from stronger sunlight or additional sunlight via a reflector, will be hotter inside.

Given two boxes that have equal heat gain, the one that has more heat retention capabilities - better insulated walls, bottom, and top - will reach a higher interior temperature.

A. Gain de chaleur

Effet de serre: Cet effet a pour conséquence de chauffer des espaces clos dans lesquels le soleil brille à travers un matériau transparent comme le verre ou le plastique. La lumière visible traverse facilement le verre et est absorbée et réfléchie par les matériaux de l'espace clos.

L'énergie de la lumière, qui est absorbée par les marmites sombres et le dessous de plat foncé sous les marmites, est convertie en énergie calorifique d’une plus grande longueur d'onde et rayonne à partir des matériaux intérieurs. La majeure partie de cette énergie radiante, parce qu'elle est d'une plus grande longueur d'onde, ne peut pas ressortir, retenue par le verre et se trouve donc emprisonnée dans l'espace inclus.

La lumière réfléchie est soit absorbée par d'autres matériaux à l’intérieur de l'espace, soit passe à travers la vitre, parce qu'elle ne change pas de longueur d'onde.

Cruciale pour la performance du four solaire, la chaleur collectée par le dessous de plat en métal foncé et les marmites, est intégrée par ces matériaux pour chauffer et cuire la nourriture.

Orientation de la vitre: plus la vitre se trouve directement face au soleil, plus grand est le gain de chaleur solaire. Bien que la vitre ait la même taille pour les caissons 1 et 2, le soleil brillera plus à travers la vitre du caisson 2 parce qu’il fait plus directement face au soleil. Notez que le caisson 2 possède une plus grande surface de parois par laquelle il perd de la chaleur.

Les réflecteurs, un gain supplémentaire: simples ou multiples, les réflecteurs projettent des rayons additionnels sur la vitre et dans le caisson solaire.. Ce supplément interne d’énergie solaire génère de plus hautes températures de cuisson.

B. Perte de chaleur

La seconde loi de la Thermodynamique déclare que la chaleur se déplace toujours du chaud vers le froid. Sans caisson solaire, la chaleur est perdue par trois manières fondamentales : la Conduction, la Radiation, et la Convection.

La poignée d’une poêle en métal dans un fourneau ou sur le feu devient chaude par transfert de chaleur du feu dans les matériaux de la poêle. De la même façon, la chaleur sans caisson solaire est perdue quand elle traverse les molécules d’un papier aluminium, du verre, du carton, de l’air, et de l’isolation, vers l’air extérieur de la boite.

Le revêtement absorbant chauffé par le soleil conduit la chaleur vers le fond des marmites. Pour prévenir la perte de cette chaleur, via la conduction, dans le fond du four, la paroi absorbante est surélevée du fond en utilisant des petites cales d’isolation (Voir figure 6.)

La radiation: les éléments qui sont chauds ou brûlants – feux, fourneaux ou marmites et aliments, dans un four solaire à caisson - dégagent des vagues de chaleur ou de la chaleur rayonnante aux alentours. Ces vagues de chaleur sont rayonnées par des objets chauds à travers l'air ou l'espace. La majeure partie de la chaleur radiante dégagée par les marmites chaudes dans un caisson solaire est réfléchie par le papier d’aluminium et la vitre derrière les marmites et sur le plateau du fond. Bien que les vitrages transparents captent la majeure partie de la chaleur radiante, une part s'échappe directement par la vitre. Le verre emprisonne la chaleur radiante mieux que la plupart des plastiques.

La Convection : Les molécules d’air entrent et sortent les fissures ou fentes du caisson. Ils convectent. Les molécules d’air chaud dans un caisson solaire s’échappent d’abord par les fentes autour du couvercle, par un côté ouvert (porte de four) ou à cause des défauts de fabrication. L’air plus froid autour du caisson pénètre également par ces ouvertures.

C. Stockage de la chaleur:

Quand la densité et le poids des matériaux constituant l’intérieur de la coque isolée d’un four solaire à caisson augmentent, la capacité du caisson à retenir la chaleur augmente. Si l’intérieur d’un caisson est fabriqué avec des matériaux lourds (pierres, briques…) les récipients épais, l’eau et les aliments lourds mettront longtemps à chauffer à cause de cette capacité additionnelle de stockage de la chaleur. L’énergie entrante est emmagasinée dans ces matériaux lourds, ralentissant la chauffe de l’air dans le caisson.

Ces matériaux denses, chargés en chaleur, irradieront cette chaleur dans le caisson, le gardant chaud pendant une longue période, jusqu’en fin de journée.