Posso alimentare un fornellino con un pannello fotovoltaico?

Oltre ai pericoli dell’inquinamento dell’aria, cucinare su fuochi aperti provoca anche la deforestazione e le emissioni di gas serra di CO2 e fuliggine. Con l’andamento dei costi in forte calo per pannelli solari e batterie, c’è stato un rinnovato interesse per il contributo che la cucina solare-elettrica può dare nel promuovere l’energia pulita. L’elettricità diretta solare o l’accumulo in batteria può cuocere il cibo a basso costo e caricare gli elettrodomestici. L’isolamento della camera di cottura consente al cibo di cuocere con un pannello solare a bassa potenza (meno costoso) per un tempo di cottura più lungo.

Cucinare con accumulo in batteria

Posso certamente cucinare con un piccolo fornellino elettrico alimentato da un pannello fotovoltaico, ma normalmente questo deve essere alimentato da un inverter collegato a un sistema che comprende pannello, regolatore di carica e batteria. Ma in realtà si può usare un sistema più semplice, se si usa un riscaldatore a 12 V o comunque alimentabile alla tensione fornita direttamete dalla batteria.

Alcune persone hanno sperimentato la cottura con una resistenza da 60 watt alimentata da pannelli fotovoltaici. Prima caricano una batteria con i pannelli. Ciò consente di fornire una quantità di energia più concentrata all’elemento riscaldante rispetto a quella ottenibile direttamente dai pannelli fotovoltaici. Il cibo viene cotto all’interno di un gruppo altamente isolato.

L’isolamento riduce notevolmente la perdita di calore, consentendo al cibo di cuocere con una potenza molto inferiore. Un pannello solare di potenza inferiore (noi usiamo circa 100 W) riduce notevolmente il costo del sistema, ma richiede molto tempo per cuocere il cibo. Per riferimento, 100 W porteranno a ebollizione circa 5 kg di cibo nel corso della giornata.

Un pannello solare da 100 W può fornire una potenza di picco da 70 a 80 watt. Se ha un orientamento fisso (e non segue il sole), la stima era di 50 watt di potenza media in un periodo di 6 ore. 50 watt significa una corrente di circa 4 A che entra in una batteria da 12 V. Quindi per caricare completamente una batteria da 75 Ah ci vorranno circa 20 ore, o poco più di 3 giorni. Quindi 3 giorni di ricarica forniranno 10 ore di cottura.

Inizialmente hanno utilizzato un termoforo da 50 W collegato direttamente a un pannello fotovoltaico da 50 W, ma hanno scoperto che l’utilizzo di un termoforo da 40 W era più efficiente. È stato in grado di far raggiungere al termoforo i 120 °C. Questo approccio può essere utilizzato per la maggior parte della cucina, ad eccezione della cottura al forno e della frittura. È importante utilizzare una camera di cottura ben isolata e limitare la lunghezza dei cavi di collegamento, poiché la resistenza del cavo limiterà l’uscita.

Alcuni hanno sperimentato l’aggiunta, attraverso l’esposizione alla luce solare, di più potenza di cottura a un fornello solare, costituito da un termoforo situato all’interno del fornello. È alimentato dal vicino pannello fotovoltaico da 100w. Il termoforo da solo ha messo circa 35 watt di potenza nel fornello solare. Quando è stato posto il tutto al sole, la cucina ha funzionato a circa 70 watt di energia solare ed elettrica combinata.

Cucinare sfruttando il cambiamento di fase

La cottura alimentata da pannelli fotovoltaici sembra in rapido sviluppo. Le prime ricerche riguardavano la cottura diretta con elementi riscaldanti a induzione. Tuttavia, l’uscita termica diretta era a bassa temperatura e i ricercatori hanno concluso che i sistemi a induzione funzionavano in modo più efficiente se inclusi con l’accumulo della batteria o un mezzo a cambiamento di fase.

Il mezzo a cambiamento di fase verrebbe riscaldato durante il giorno e sarebbe in grado di restituire il calore a una velocità maggiore all’elemento a induzione per la cottura nel corso della giornata. In pratica, si può usare un pannello fotovoltaico di potenza relativamente bassa per produrre elettricità per far funzionare un elemento riscaldante a induzione, che scorre attraverso un mezzo di accumulo di calore a cambiamento di fase.

Il mezzo fonde a 120 ° C durante l’esposizione per tutto il giorno. Di sera il mezzo è abbastanza caldo da cucinare un pasto abbastanza velocemente senza il sole, la carica della batteria accumulata o l’ulteriore input dall’elemento riscaldante a induzione.

Cucinare con una catena di diodi al posto di batterie e resistenze

Un recente sviluppo con l’incorporazione di array di diodi termici mostra la possibilità di utilizzare un sistema più semplice e meno costoso per generare calore per cucinare. Non richiede regolatori di carica a 12 V, convertitore di tensione, batterie e inverter dei tradizionali sistemi fotovoltaici, ma non hanno intrinsecamente capacità di accumulo di energia. Richiede però un interruttore termostatico per interrompere il circuito al di sopra di una temperatura predeterminata.

Nei tradizionali sistemi solari domestici di elettricità, il controllo della tensione si ottiene utilizzando una batteria con un regolatore di carica MPPT (Maximum Peak Power Tracking). Questo tipo di sistema è probabilmente proibitivo in termini di costi per le famiglie a reddito più basso. La continua diminuzione del prezzo dei pannelli solari significa che il costo predominante in un sistema elettrico solare domestico sarà presto (o è già) lo stoccaggio dell’energia elettrica.

L’utilizzo di una catena di diodi invece di un riscaldatore resistivo estrae più energia da un pannello solare su una varietà di intensità solari e funge anche da regolatore di tensione approssimativo ed economico per caricare batterie ed apparecchi elettrici. Può dunque ridurre drasticamente questi costi, se non eliminarli del tutto. Un riscaldatore a diodi termici produce più calore da un pannello solare rispetto a un riscaldatore resistivo collegato a PWM/batteria, calcolato in media su un’ampia varietà di intensità solari.

L’innovazione consiste nell’utilizzare una catena di diodi termici anziché il tradizionale riscaldatore resistivo (ad es. fatto con un filo nichel-cromo) per riscaldare il cibo. Passando dalla resistenza al riscaldamento a diodi, convertiamo in modo economico e ottimale l’elettricità fotovoltaica in energia termica per cucinare, condividendo l’elettricità con porte USB, batterie da 12 V e altri usi.

Infatti, la resistenza costante del filo assorbe energia alla massima tensione del punto di alimentazione (Vmp) solo a una singola intensità solare. Poiché la tensione ai capi di una resistenza è proporzionale alla corrente, altre intensità solari forniscono corrente a una tensione diversa, con conseguente riduzione dell’assorbimento di potenza.

Poiché la caduta di tensione attraverso un diodo è quasi indipendente dalla corrente, una catena di diodi collegati a un pannello solare può assorbire un intervallo di correnti corrispondente a un’ampia gamma di intensità solari mantenendo una tensione costante vicino a Vmp. Ciò consente a una catena di diodi di attingere alla massima potenza possibile da un pannello solare su un’ampia gamma di intensità solari.

I riscaldatori a diodi non richiedono alimentazione CC regolata, ma funzionano bene se collegati direttamente a un pannello solare. Inoltre, poiché la caduta di tensione attraverso un diodo rimane quasi costante in un’ampia gamma di correnti (intensità solari), il numero corretto di diodi può fornire approssimativamente qualsiasi tensione necessaria per caricare le batterie o alimentare una porta USB o un apparecchio in CC. Per uscite di tensione più precise, è possibile utilizzare un chip di controllo della tensione economico.

Il costo dell’elettricità risultante è già competitivo rispetto alla cottura a biomassa in molte aree. I vantaggi includono l’accesso poco costoso all’elettricità, nonché la riduzione dell’inquinamento dell’aria interna, la deforestazione e il costo/onere della fornitura di combustibile per cucinare. Con la continua diminuzione del prezzo dei pannelli solari, questo sistema diventerà sempre più efficace per portare elettricità e cucina elettrica ai poveri del mondo.

Le catene di diodi (ad esempio 20 diodi rettificatori 1N5402, con Imax=3 A, picco di corrente di picco IFSM=200 A, Tmax=150) possono essere incollate all’esterno della camera di cottura o fissate all’interno di tubi di alluminio come riscaldatori a immersione. Un interruttore termostatico è incluso nel circuito per proteggere il sistema dal surriscaldamento. Il gruppo pentola è circondato da isolamento.

Per evitare che i diodi si surriscaldino, sono collegati termicamente alla pentola. Un interruttore termostatico, anch’esso collegato alla pentola, interrompe il circuito al di sopra di una temperatura predeterminata. Pertanto, è importante ancorare i diodi con un adesivo che sia resistente ad alta temperatura, termicamente conduttivo ed elettricamente isolante.