Эффективная солнечная фотоэлектрическая система для приготовления пищи с накопителем тепловой энергии на основе песка

Аккумулятор Challenger A12-40

Ученые из Ганы разработали устройство, которое сочетает в себе обычную пароварку, работающую от солнечных батарей, и накопитель тепловой энергии на основе песка. Система может достигать теплового КПД в 38,9 %, а срок окупаемости составляет 4,5 года.

Другой тип приготовления пищи на солнце: исследователи сосредоточились на электронной готовке с использованием солнечной энергии

Исследовательская группа из Ганы разработала паровую плиту, работающую на солнечной энергии (ISESC), с накопителем тепловой энергии на основе песка (TES).

«Потенциал песка, учитывая его термостойкость и низкую стоимость, изучен недостаточно. В существующих исследованиях в качестве источников тепла в основном используются диоды, резистивные нагреватели или индукционные системы, а прямое получение пара с использованием накопленного в песке тепла изучено слабо, — заявили учёные. — Интеграция приготовления пищи на пару с использованием TES на основе песка в солнечных фотоэлектрических системах — это новая область, и её эффективность в производстве пара и приготовлении пищи остаётся неясной».

Тестируемая установка состоит из 20 фотоэлектрических (ФЭ) модулей, каждый из которых имеет максимальную мощность 580 Вт и КПД 22,65 %. Модули установлены на наземной конструкции с углом наклона 10° в южном направлении и азимутальным углом 0°. Вырабатываемая электроэнергия направляется в систему накопления тепловой энергии (ТНЭ), которая состоит из двух компонентов: контейнера из низкоуглеродистой стали, заполненного карьерным песком, в который встроен резистивный нагревательный элемент постоянного тока.

Над слоем песка установлена водяная камера, в которой находится 10 кг воды. Она вырабатывает пар, который нагревает продукты внутри камеры для приготовления. Размеры камеры для приготовления: 143 см в высоту, 150 см в длину и 57,5 см в ширину, а размеры тепловой батареи: 15 см × 65,5 см × 44 см.

Тестирование проводилось в старшей школе Кунст в Кумаси, Гана. С 21 по 24 октября 2024 года с 10:00 до 15:00 ежедневно проводились испытания на кипячение воды. С 5 по 7 ноября 2024 года проводились испытания на приготовление пищи. В качестве инструментов использовались измеритель солнечной радиации, инфракрасный термометр, вольтметр, амперметр и тепловизор.

Результаты показали, что температура в варочной камере достигала 105–110 °C, что было достаточно для приготовления 16 кг риса за 80 минут, 16 кг фасоли за 140 минут и 32 кг бананов за 85 минут. Тепловой КПД системы ISESC составил 38,9 %, что примерно на 12–14 % выше, чем у солнечных паровых систем с чашей Шеффлера (25–26,5 %) при аналогичных условиях. Солнечные батареи на основе песка накапливали 13–15 МДж энергии, обеспечивая 4–6 часов надёжной работы даже при переменной солнечной радиации 400–900 Вт/м².

Анализ затрат на протяжении всего жизненного цикла показал, что срок окупаемости составляет 4,5 года, а общие затраты за 20 лет будут на 47 % ниже, чем при использовании традиционных печей на биомассе. Ежегодная экономия выбросов при использовании ISESC составила 5312,22 кг CO₂, 11,10 кг NOx и 7,05 кг PM2,5, что способствует сокращению вырубки лесов, снижению уровня загрязнения воздуха в помещениях и достижению целей, определённых на национальном уровне (NDC) в Гане.

Система была описана в статье «Экспериментальный анализ институциональной паровой плиты, работающей на солнечной энергии, с накопителем тепловой энергии на основе песка», опубликованной в Solar Energy Advances. Ученые из Университета науки и технологий имени Кваме Нкрумы в Гане, Центра технологических консультаций — Международного центра инноваций, производства, передачи технологий и предпринимательства (TCC-CIMET) и Технического университета Кейп-Коста.