Forno Solare a Scatola – Principio di Funzionamento e Caratteristiche Essenziali

 

Il forno solare a scatola "minimum"

Il forno solare a scatola “minimum”         (fonte wikipedia)

Un forno solare a scatola altro non è che un contenitore, solitamente a forma di cubo o di parallelepipedo, chiuso su cinque delle sei facce da una parete fatta con materiale isolante e, sulla sesta faccia che fa da coperchio, chiuso con del materiale trasparente, preferibilmente vetro. Il vetro permette alla radiazione solare di entrare nella scatola, mentre la conversione della radiazione solare in raggi infrarossi all’interno della camera, grazie anche all’uso di un fondo scuro e di pareti scure o riflettenti, permette di creare l’effetto serra necessario al riscaldamento dell’ambiente.

I NUMERI ESSENZIALI

Data la sua semplicità costruttiva, per alcuni sembrerà che ci dilungheremo troppo a parlare del funzionamento di questo tipo di forni. Proprio per questo motivo abbiamo pensato di introdurre la descrizione dei forni solari a scatola con il paragrafo relativo ai “numeri essenziali” del forno.

Se esponiamo la nostra scatola al sole splendente (bada bene, non a sole coperto da foschia), in circa un’ora questa potrà raggiungere una temperatura di 95°C. Per mantenere la temperatura, poi, il forno dovrà essere continuamente orientato verso il sole.

I forni a scatola più semplici hanno un rendimento abbastanza basso, pari a circa il 25%, dato che buona parte del calore viene dissipato attraverso il vetro, le pareti e il fondo della scatola.

L’efficienza può essere portata poi al 45%, aumentando l’isolamento delle pareti ed utilizzando un doppio vetro. In questo caso, è possibile raggiungere anche temperature di 120  °C.

Queste temperature massime si possono raggiungere solo a forno vuoto. In presenza di alimenti al suo interno, la temperatura potrà calare del 20%, stante che parte del calore viene usato per cuocere il cibo e per fare evaporare l’acqua in esso contenuta.

Ne consegue che con questo tipo di forni è possibile cucinare quasi tutte le pietanze, ma occorrono circa 5 o 6 ore di esposizione e condizioni meteorologiche ottimali.

Per finire, si può aumentare ancora l’efficienza del forno aggiungendo dei pannelli riflettenti (con un rivestimento metallico o a specchi) tutto attorno al coperchio, che indirizzeranno ulteriori radiazioni nella camera di cottura. In questo modo, si possono raggiungere temperature di 170 °C o anche superiori, arrivando perfino ai 220 °C (ad esempio per il modello di forno solare di Maria Telkes).

Vantaggi e svantaggi

VANTAGGI:

– economicità e semplicità. Il forno è facile da costruire e possono essere impiegati materiali a basso costo;

– se di dovute dimensioni, permette di cuocere più pasti contemporaneamente;

– può essere usato per cuocere il pane e le crostate;

SVANTAGGI:

– non permette di friggere gli alimenti;

– se non ha i riflettori sopra il coperchio, il forno ha un’efficienza bassa;

– quando il sole è basso nel cielo, è necessario inclinare il forno per facilitare l’ingresso dei raggi solari;

PRINCIPI DEL FORNO SOLARE A SCATOLA

L’EFFETTO SERRA

L'effetto serra nei forni solari a scatola (fonte Scinet).

L’effetto serra nei forni solari a scatola            (fonte SCInet).

 

Il forno solare scalda gli oggetti ricorrendo all’effetto serra. Grazie ad esso può essere impiegato non solo per cucinare gli alimenti, ma anche per sterilizzare l’acqua e la strumentazione medicale.

L’aumento della temperatura ad opera dell’effetto serra, continua fino a quando non si raggiunge un punto di equilibrio fra l’apporto di energia del sole e le perdite di calore attraverso le pareti, il fondo e la copertura in vetro della scatola.

La luce solare assorbita dalla pentola scura e dalla piastra scura su cui essa poggia, viene convertita in radiazioni di maggiore lunghezza d’onda (raggi infrarossi). La luce visibile passa facilmente attraverso il coperchio trasparente e viene assorbita e riflessa dai materiali racchiusi nello spazio interno della scatola. La piastra scura su cui poggia la pentola è invece isolata dal fondo tramite opportuni piedistalli.

Per maggiori informazioni sul tipo di copertura impiegabile nei forni solari a scatola, potete raggiungere la pagina ad essa dedicata.

L’ORIENTAMENTO DEI VETRI

Più il vetro è rivolto verso il sole, maggiore sarà l’efficienza di conversione della radiazione solare in calore.

Orientamento del coperchio in vetro rispetto alla radiazione solare.

Orientamento del coperchio in vetro rispetto alla radiazione solare (fonte SCInet).

 

La figura a fianco, indicata come “Figure 3”, tratta dal sito del Solar Cookers International, evidenzia come sia possibile aumentare l’energia solare entrante nel forno adottando l’accorgimento di rialzare una delle due pareti. Tuttavia, ciò comporta anche un aumento della dissipazione di calore. Pertanto, al fine di aumentare la radiazione entrante, risulta più indicato ricorrere a dei riflettori.

I RIFLETTORI

Come già accennato, i riflettori permettono di aumentare l’efficienza del forno a scatola facendo entrare più radiazione solare all’interno della camera di cottura. Se volete sapere i principi della progettazione dei riflettori, potete leggere qui.

LA DISSIPAZIONE DEL CALORE

Il calore prodotto all’interno del forno viene dissipato in tre modi, per conduzione, per irraggiamento e per convezione.

Conduzione

Parte del calore viene dissipato per conduzione dalle pareti della scatola, che riscalda l’aria a diretto contatto con esse.

Irraggiamento

Dissipazione di calore per irraggiamento (fonte SCInet).

Dissipazione di calore per irraggiamento (fonte SCInet).

Un qualunque corpo, in virtù della propria temperatura, emette radiazioni elettromagnetiche responsabili del trasferimento di calore noto come irraggiamento. Tale fenomeno apporta un contributo significativo al trasporto di calore se il corpo si trova ad una alta temperatura. All’interno di un forno solare, le radiazioni emesse dai corpi caldi tendono ad essere trattenute creando il cosiddetto effetto serra. Solo in parte attraversano il coperchio trasparente e vengono disperse nello spazio.

 

 

Convezione

La convezione rappresenta il trasferimento di calore ad opera del moto di circolazione di un fluido o di un gas. In un forno solare a scatola,

Perdita di Calore per Convezione (fonte SCInet).

Perdita di Calore per Convezione (fonte SCInet).

questa si può avere in corrispondenza del coperchio, per via di una chiusura non ottimale, oppure nelle pareti, per via della presenza di cricche e imperfezioni.

 

IMMAGAZZINARE ENERGIA

Rivestimento interno per Immagazzinare Energia (fonte SCInet).

Rivestimento interno per Immagazzinare Energia (fonte SCInet).

 

E’ possibile ricoprire l’interno di un forno a scatola con materiale di peso e densità elevati, che siano in grado di accumulare parte del calore sviluppato all’interno della camera di cottura. Questo, se da un lato rallenta il processo di riscaldamento della camera stessa, dall’altro le consente di mantenere la temperatura più a lungo, soprattutto quando, riducendosi l’apporto di energia da parte del sole, il materiale di ricoprimento rilascerà il calore precedentemente accumulato.

 

 

 

MATERIALI IMPIEGATI IN UN FORNO SOLARE A SCATOLA

I materiali impiegati nella costruzione di un forno solare a scatola sono:

Componenti di un Forno Solare (fonte SCInet).

Componenti di un Forno Solare (fonte SCInet).

 

– materiale strutturale;

– isolante;

– materiale trasparente;

– materiale resistente all’umidità;

 

 

 

Il materiale strutturale assolve alla funzione di dare una forma al forno e di mantenerla duratura nel tempo. I materiali impiegabili sono i più disparati, dal cartone, al legno, al compensato, alla masonite, al metallo, al cemento, ai mattoni, alla pietra…

L’isolamento serve per ridurre le dispersioni termiche, in particolar modo quelle per conduzione attraverso le pareti laterali e il fondo della scatola. Alcuni materiali dalla buona proprietà isolante sono i fogli di alluminio, piume d’oca, tessuto di fibra di vetro, lana di roccia, cellulosa, gusci di ricci, lana, paglia e giornali tagliuzzati.

Anche i doppi vetri possono aumentare l’isolamento. Anche se il doppio vetro comporta una riduzione della radiazione che attraversa la copertura, il maggior isolamento da come effetto complessivo un aumento delle prestazioni del forno.

La resistenza all’umidità rappresenta un altro fattore importante di cui tenere conto, per evitare il danneggiamento della struttura del forno.

Infatti, tutti i cibi soggetti a cottura contengono più o meno umidità, che, all’interno del forno, comporta la creazione di una pressione di vapore. Questa, può fuggire al di fuori del forno attraverso fessure non desiderate o attraverso le pareti medesime. Per evitare il danneggiamento di quest’ultime e del materiale isolante in esse frapposto, è possibile ricoprire la parte più interna del forno con del materiale resistente all’umidità. In alternativa alcuni optano per richiudere la pentola di cottura all’interno di un sacchetto di plastica trasparente ed impermeabile.