Photovoltaic Solar Cooker with Heat Storage

Abstract

Mennesker som lever i avsidesliggende områder sør for Sahara i Afrika har generelt ikke tilgang på strøm fra det nasjonale strømnettet. Av den grunn brukes biobrensel som energikilde for matlaging, som leder til dårlig innendørs luftkvalitet og risikabelt arbeid for å samle ved. WHO estimerer at 1.6 millioner dødsfall årlig skyldes innendørs luftforurensning, som gjør det til den viktigste miljøhelserisikoen i verden. Denne masteroppgaven har som mål å forbedre innendørs luftkvaliteten i avsidesliggende områder ved å introdusere en soldrevet matlagingsapparat som kan lagre energi for senere bruk. Det er viktig å utnytte rene, miljøvennlige og tilgjengelige fornybare energikilder, for å sørge for en bærekraftig løsning.

Denne masteroppgaven er en del av Norads EnPe program, som er et samarbeid mellom NTNU og flere universiteter i Afrika. Prosjektet har foregått over flere år, som har resultert i kontinuerlig utvikling av en løsning for matlagingsapparater. Denne masteroppgaven vil fokusere på tre hovedaspekter for videre utvikling og forbedring: systemdesignet, kokeløsningen og varmelagermediumet. Et tidligere utviklet system er utgangspuntet for testing og videre forbedring.

Fire systemdesign har blitt vurdert i denne oppgaven: det eksisterende tretank-systemet, entank-systemet, totank-systemet og trakt-i-tank-systemet, som er utarbeidet i den respektive rekkefølgen. Den siste løsningen er konkludert med å være mest lovende, siden designet ikke er komplekst men likevel separerer høykvalitetsolje ved stratifisering og tillater matlaging flere ganger daglig. Systemet har ikke blitt produsert og testet, men simuleringer viser lovende resultater.

For kokeløsningen har hovedaspektet vært forbedring av sikkerheten ved bruk. Den nåværende én-kjele-kokeløsningen risikerer at vann kommer i kontakt med den varme oljen i systemet, som kan få farlige konsekvenser. En kjele-i-kjele-løsning har blitt testet og sammenlignet med det nåværende én-kjele-kokeløsningen, og det viste seg at virkningsgraden ble mer enn halvert. Likevel har kjele-i-kjele-løsningen vist seg å fungere for å koke ris og den reduserte virkningsgraden er akseptabek grunnet økt sikkerhet. Kjele-i-kjele-løsningen kan implemnteres i tretank-systemet, som er det eneste nåværende systemet som har mulighet til å regulere oljestrømmen til kokeren.

Etter termiske syklustester av forskjellige oljer, har det blitt konkludert med at soya- og rapsolje er best egnet for systemet uavhengig av designet. Konklusjonen er tatt basert på økt viskositet, røykpunkt, termisk diffusivitet og nedkjølingstid. De samme egenskapene tatt i betraktning gir at oliven-, avocado- og maisolje ikke er egnet for bruk i systemet. I tillegg viser eksperimenter at kokos- og spillolje heller ikke er egnet for systemet grunnet avgassene som avgis under oppvarming.

People living in rural areas in sub-Saharan Africa generally do not have access to electricity from the national grid. Consequently, biomass fuels are used as an energy source for cooking, which leads to poor indoor air quality and unsafe labor for wood collection. WHO estimates 1.6 million deaths yearly are caused by indoor air pollution, making it the most important environmental health risk worldwide. This master thesis aims to improve the indoor air quality in rural areas by introducing a solar cooker that can store energy for later use. It is important to utilize clean, environmentally friendly and available renewable energy resources, to ensure a sustainable solution.

This master thesis is a part of Norad's EnPe program, which is a collaboration between NTNU and several universities in Africa. The project has been ongoing for several years, resulting in continuous development of a cooking system solution. This master thesis will focus on three main aspects of further development and improvement: the system design, the cooker solution and the heat storage medium. A previously developed system serves as a basis for testing and further improvement.

Four system designs have been considered in this thesis: the existing three tank system, the one tank system, the two tank system and the funnel in tank system, invented in the respective order. The last is concluded to be most promising, as the design is not complex but separates high temperature oil by stratification and allows for cooking multiple times a day. The system has not been manufactured and tested, but simulations show promising results.

For the cooker solution, the main aspect of improvement has been with regards to safety. For the current one-pot cooker, there is a risk of water entering the hot oil in the system, which can have dangerous consequences. A pot-in-pot solution has been tested and compared to a one-pot cooker, and it was discovered that the efficiency is more than halved. However, the pot-in-pot solution has proven to work for cooking rice and the reduced efficiency is acceptable due to the safety improvement. The pot-in-pot solution can be implemented in the three tank system, which is the only system that currently allows for regulation of the oil flow to the cooker.

After thermal cycling tests of different vegetable oils, the two most applicable oils are concluded to be soy and rapeseed, independent on the system design. The conclusion is drawn by taking into consideration the increase in viscosity, smoke point, thermal diffusivity and time required to cool to ambient temperature. Considering the same properties, olive, avocado and corn oil should be avoided. Moreover, experiments show that coconut and waste oil are not suitable for the system either because of the amount of fumes released during heating.