Onderzoek aan een Solar box bij de afdeling Natuurkunde van de Vrije Universiteit door H.P. Blok en J.M. Mulder

Introductie

In veel ontwikkelingslanden wordt nog met hout (of houtskool) gestookt. Hout wordt echter steeds schaarser (en duurder) en de rook is zeer slecht voor de gezondheid. Gelukkig schijnt in veel van die landen de zon heel vaak. Solar Cooking is dan een goed (en steeds dringender gewenst) alternatief. 

Met dit als aanleiding is in het kader van het practicum voor studenten van de opleiding Science, Business en Innovation een proef met een ‘Solar Box‘ ontwikkeld.[1] Deze combineert het aanleren van belangrijke Science onderwerpen (warmtestraling, broeikaseffect, experimenteren) met Business en Innovation aspecten, zoals praktische bruikbaarheid en kostenaspecten, bijv. in een ontwikkelingsland.
Om het gedrag van de doos zo goed mogelijk te begrijpen hebben de auteurs, parallel aan wat de studenten deden, systematisch een aantal metingen verricht om enkele zaken in meer detail uit te zoeken. In wezen ging het daarbij om het optimaliseren van de Solar Box door het maximaliseren van de opvang van de invallende straling en het minimaliseren van het warmteverlies (optimaliseren van de isolatie) van de doos, daarbij in het achterhoofd houdend welke materialen duurzaam en in een ontwikkelingsland tegen geringe kosten beschikbaar zijn.
De gebruikte Solar Box is een dubbelwandige doos van 6 mm triplex, met buitenmaten van de buiten- en binnendoos van 50,0 cm bij 40,0 cm, resp. 41,0 cm bij 30,8 cm met hoogten van resp. 27,6 cm en 23,0 cm, afgedekt door 2 glasplaten van 1,5 mm met onderlinge afstand 12 mm. Het lichtdoorlatend oppervlak is gelijk aan de binnenmaten van de binnendoos. De binnendoos staat op kleine houten blokjes van 3,8 cm hoog. In de binnendoos bevindt zich een plaat van 38,0 cm bij 28,0 cm van 1 mm aluminium op houten blokjes van 3,8 cm hoog met daarop een pan met een diameter van 20 cm. Pan en plaat zijn matzwart geverfd om het invallende zonlicht zo goed mogelijk te absorberen.
Voor de opwarming werden acht halogeen lampen van 50 W gebruikt. Apart is bepaald dat de effectieve warmteafgifte in de doos van de 8 lampen samen 80 tot 100 W (afhankelijk van de plaatsing van de lampen) is[2].
Temperaturen in de doos werden gemeten met vier thermokoppelsensoren van CMA (0135i), via een LabPro sensor interface uitgelezen door de Logger Pro software van Vernier. 


[1] Solar Boxen zijn ook gebruikt bij het Project voor 1e jaarsstudenten Natuurkunde van VU en UvA.

[2] Ter vergelijking: de zon levert onder optimale condities 1000 W/m2, dus 120 W bij loodrechte inval voor deze doos met oppervlak 0,12 m2.

Metingen

Omdat de temperaturen in en van de doos afhangen van waar in de doos je meet, hebben de sensoren bij te vergelijken metingen steeds dezelfde plaats. Eén bevond zich altijd in olie (geen water, omdat dat bij hogere temperatuur gaat verdampen), vrijwel op de bodem in de pan. De andere drie werden, afhankelijk van de meting, gebruikt om de temperatuur van de Al plaat, die van de (wanden van de) binnen en de buitendoos, de kamertemperatuur e.d. te meten.

De doos en inhoud werden eerst opgewarmd met de lampen aan. Door absorptie van het ingestraalde vermogen stijgt de temperatuur, maar die stijging neemt gaandeweg af als de doos warmer wordt en je warmte verliest naar de omgeving. Uiteindelijk stabiliseert de temperatuur zich op een maximale waarde. Vervolgens werden de lampen uitgezet. Doordat de doos warmte afgeeft aan de omgeving daalt de temperatuur geleidelijk tot uiteindelijk de kamertemperatuur. De snelheid van de afkoeling hangt af van hoe goed de doos geïsoleerd is. Dit gedrag is te zien in figuur 1. Kwalitatief is het gedrag hetzelfde bij alle metingen.

Het opwarm- en afkoelgedrag kan in detail bestudeerd worden door de temperatuurverandering per minuut van de olie in de pan, dT/dt, waarbij T(t) de (elke minuut) gemeten temperatuur op tijdstip t is, te bekijken, zie figuur 2.

 

Figuur 1Figuur 2
Figuur 1. Gemeten temperaturen van (van boven naar beneden) olie, binnendoos, buitendoos en omgeving met 1 liter olie in de pan en 5 lampen.Figuur 2. Waarden van dT/dt versus T voor de meting van figuur 1. De bovenste kromme geeft de waarden bij opwarming, de onderste bij het afkoelen.

 

Voorlopige resultaten en conclusies[3]

Gebruik van een dubbele glasplaat in plaats van een enkele of opvullen van de ruimte tussen binnen en buitendoos met tempex, wol of kaf verhoogt de te bereiken eindtemperatuur elk met ongeveer 10 graden doordat de isolatie verbetert.

Bekleden van de binnenkant van de binnendoos met reflecterend folie verhoogt de te bereiken eindtemperatuur ook met zo’n 10 graden, wat te danken is aan een beter richten van de invallende straling op de pan en minder op de wand van de binnendoos, plus verbeterde isolatie (de warmtestraling van de hete pan wordt teruggekaatst).

Bekleden van de binnenkant van de buitendoos heeft ook effect, maar dat is kleiner (ongeveer 4 graden). Dit effect is vermoedelijk te danken aan reflectie van de warmtestraling uitgezonden door de (warmere) buitenkant van de binnendoos naar de koelere buitendoos.


[3] Deze resultaten zijn een combinatie van wat door de studenten en door de auteurs uitgezocht is.

Ontwikkeling van een Solar Box voor gebruik in ontwikkelingslanden[4]

Gebruik makend van de bovengenoemde resultaten en wensen van potentiële gebruikers in Mali[5] is een grotere doos ontworpen en op de VU gebouwd, die meer zonlicht opvangt en waarin grotere pannen gebruikt kunnen worden. Deze is gemaakt van 10 mm multiplex (voor de stevigheid) en heeft (buiten)afmetingen van de buiten- en binnendoos van 60,0 cm bij 50,0 cm, resp. 54,0 cm bij 44,0 cm met hoogten van resp. 35,0 cm en 32,0 cm, afgedekt door 2 glasplaten van 2,0 mm met onderlinge afstand 16 mm. De binnendoos staat weer op kleine blokjes en in de binnendoos bevindt zich een matzwart geverfde aluminium plaat van 50,0 cm bij 40,0 cm op blokjes. De binnenwanden van binnen- en buitendoos zijn bekleed met reflecterend folie.

Bij testen van deze doos op de VU werd bij gebruik van 8 lampen een eindtemperatuur van ongeveer 105 graden bereikt. Doordat de doos groter is dan de eerder gebruikte, is het warmteverlies groter en de eindtemperatuur, ondanks het gebruik van meer lampen, ongeveer dezelfde als in figuur 1 voor de kleinere doos met 5 lampen.

Voor gebruik in de praktijk met de zon wordt de doos uitgerust met een deksel van multiplex, dat aan de binnenkant bekleed is met reflecterend folie. Door dit deksel afhankelijk van de zonnestand onder een hoek van 80 (bij lage zonnestand) tot 120 graden (zon recht boven) ten opzichte van horizontaal te zetten wordt het opgevangen vermogen van de zon groter.

Verwacht wordt dat dan bij een omgevings-temperatuur van 20 graden temperaturen van meer dan 130 graden te halen zijn. Dit zal voorjaar 2015 uitgezocht worden.

Inmiddels zijn er vier zulke dozen in Segou gemaakt[6]. In de zon en bij een omgevings-temperatuur van 35 à 40 graden is een temperatuur van olie in een pan van ongeveer 140 graden bereikt.

Met deze dozen zijn allerlei soorten voedsel bereid, zie de foto. Vrouw aan het koken
De kosten van fabricage van zo’n doos zijn ongeveer € 50, wat voor veel mensen in een ontwikkelings-land een (te) groot bedrag is, maar de besparing op de kosten van hout bedraagt al gauw € 4 tot € 7 per maand.

Meer informatie over Solar Cooking, Cookits (een eenvoudiger en goedkoper zonnekooktoestel) en Solar Boxen is te vinden op:

www.solarcooking.nl
www.kozon.org
solarcooking.wikia.com/wiki/Solar_cooking_basics

 


[4] Dit is tot stand gekomen dankzij contacten met de Stichting KOZON (zie www.kozon.org).
[5] Specifiek de heer Seydou Coulibaly, leerkracht natuurkunde, scheikunde en wiskunde in Ségou.
[6] Zie de Nieuwsbrief van dec. 2014 op www.kozon.org

Meer informatie

Bent u geinteresseerd geraakt over het koken met een Solar Box dan kunt u meer over het onderwerp hier lezen.

KOZON artikel Solar Box - Twee experimenten met de Solar Box Cooker

Nieuwsbrief Stichting KoZon - September 2015