ソーラークッカー

ソーラークッカー（ソーラーオーブンとも呼ばれる）は、直射日光のエネルギーを利用して飲料やその他の食品を加熱、調理、または低温殺菌する装置です。現在使用されているソーラーオーブンの多くは、比較的安価でローテクな装置ですが、中には従来のストーブと同じくらい強力で高価なものもあります^{[ 1 ]}。また、高度な大型ソーラークッカーは数百人分の料理を作ることができます^{[ 2 ]} 。これらのクッカーは燃料を使わず、運用コストもかからないため、多くの非営利団体が燃料費と大気汚染の削減、森林破壊と砂漠化の抑制を目的として、世界中でその利用を推進しています。

古代には、ギリシャ人、ローマ人、中国人などの文明において太陽エネルギーの利用が存在していたと考えられているが、調理には使われていなかった。^{[ 3 ]}

太陽熱調理器の原理に関する最初の学術的な記述は、1767年にジュネーブの地質学者、気象学者、物理学者、アルプス探検家であるオラース＝ベネディクト・ド・ソシュールによってなされた。太陽光で食事を調理する原理は、1870年代にフランス外人部隊で主に開発された。^{[ 4 ]}

高い鏡面反射率を持つ鏡面は、太陽光を小さな調理エリアに集中させるために使用されます。表面の形状によっては、太陽光を数桁も集中させることができ、塩や金属を溶かすのに十分な高温を生み出すことができます。しかし、このような高温は、ほとんどの家庭用ソーラークッキング用途では実際には必要ありません。ソーラークッキング製品は通常、晴れた日に65 ℃（150 °F）（焼き物温度）から400 ℃（750 °F）（グリル/焼き付け温度）の温度に達するように設計されています。    

この光エネルギーは熱エネルギーに変換されます。ソーラークッカーは、調理鍋などの受光器に太陽光を集めます。光エネルギーと受光器の材料との相互作用によって光が熱に変換され、これを吸収といいます。熱を吸収、伝導、保持する材料を使用することで、変換効率を最大化できます。ソーラークッカーで使用する鍋やフライパンは、吸収率を最大化するために、つや消しの黒色であるべきです。

調理器具内部の空気を外部の空気から遮断することで、熱エネルギーを閉じ込め、対流を抑制することが重要です。鍋にガラス製の蓋をするだけで、鍋の上部からの光吸収が促進され、温室効果によって保温性が向上し、対流による熱損失が最小限に抑えられます。この「ガラス」は、入射する可視光線は透過しますが、外部に放出される赤外線熱放射は遮断します。資源が限られた環境では、耐熱性のビニール袋が同様の役割を果たし、内部の空気を閉じ込めることで、寒い風の強い日でも暑い日と同等の温度に達することが可能になります。

ソーラークッカーには様々な種類があり、それぞれ調理方法が多少異なるが、ほとんどは同じ基本原理に基づいている。

食品はオーブンやコンロで調理する場合と同じように準備されます。ただし、食品は小さく切った方が早く調理できるため、ソーラークッカーに入れる食品は通常よりも小さく切られます。^{[ 5 ]}例えば、ジャガイモは丸ごと焼くのではなく、一口サイズに切られます。^{[ 6 ]}バターやチーズを溶かすなどの非常に簡単な調理の場合は、蓋は必要なく、食品は蓋のないトレイやボウルに入れることができます。複数の食品を別々に調理する場合は、それぞれ別の容器に入れます。

食品の容器をソーラークッカーの中に入れ、ソーラークッカーはレンガ、石、金属製の五徳、またはその他のヒートシンクの上に置き、ソーラークッカーを直射日光の当たる場所に置きます。^{[ 5 ]}すぐに調理できる食品は、後からソーラークッカーに追加できます。昼食用のご飯は早朝に炊き始め、午前中に野菜、チーズ、またはスープをソーラークッカーに追加することができます。ソーラークッカーのサイズと調理する食品の種類と量に応じて、家族で1台または複数台のソーラークッカーを使用する場合があります。

ソーラーオーブンは太陽に向けて、食品が調理されるまでそのままにしておきます。コンロや火で調理する場合、1時間以上ずっと監視する必要があるのとは異なり、ソーラーオーブンでは、食品をかき混ぜたりひっくり返したりする必要がほとんどありません。これは、かき混ぜる必要がないことと、ソーラーオーブンを開けると閉じ込められた熱が逃げて調理が遅くなるためです。必要に応じて、1～2時間ごとにソーラーオーブンをチェックして、オーブンをより正確に太陽に向け、近くの建物や植物の影が日光を遮っていないことを確認することができます。食品を日中に何時間も放置する場合は、ソーラーオーブンを現在の位置ではなく、太陽が空で最も高くなる位置に向けておくことがよくあります。^{[ 7 ]}

調理時間は主に、使用する機器、その時点での日照量、調理する食材の量によって決まります。気温、風、緯度も調理に影響します。食材は、正午の前後2時間の方が、早朝や夕方よりも早く調理できます。大量の食材や大きな食材は、調理に時間がかかります。そのため、調理時間については大まかな数値しか示すことができません。小型のソーラーパネルクッカーであれば、バターを溶かすのに15分、クッキーを焼くのに2時間、4人分のご飯を炊くのに4時間かかるかもしれません。高性能の放物面ソーラークッカーであれば、ステーキを数分で焼くことができるでしょう。しかし、地域の状況やソーラークッカーの種類によっては、これらの作業にかかる時間は半分、あるいは2倍になる可能性もあります。

ソーラークッカーで食べ物を焦がすのは難しい。^{[ 6 ]}必要以上に1時間長く調理した食べ物でも、通常は最小限に調理した食べ物と区別がつかない。この規則の例外は一部の緑色の野菜で、これらはすぐに完璧に調理された鮮やかな緑色からオリーブドラブ色に変化するが、望ましい食感はそのまま残る。

米などのほとんどの食品は、見た目だけでは調理方法を判別できない。しかし、いくつかの違いはある。パンやケーキは底ではなく上面がこんがりと焼ける。また、直火で調理した場合と比べて、燻製の風味はしない。

ボックス型ソーラークッカーは、透明なガラスまたはプラスチック製の蓋を持ち、太陽光をボックス内に集光するための反射板が追加されている場合があります。蓋は通常取り外し可能で、食品を入れた暗い色の鍋を中に入れることができます。オーブン内部に光を反射させるために、光沢のある金属またはアルミ箔で裏打ちされた素材の反射板が1つ以上配置されている場合があります。調理容器とクッカーの内側の底は、暗い色または黒色である必要があります。内壁は、放射熱損失を減らし、鍋と鍋に接する暗い色の底に向かって光を反射するために、反射性のある素材である必要があります。ボックスの側面は断熱されている必要があります。ソーラーボックス型クッカーの断熱材 は、溶けたりガスを放出したりすることなく、150 °C (300 °F)までの温度に耐えられる必要があります 。クッカーの壁の断熱には、丸めた新聞紙、羊毛、ぼろ布、乾燥した草、段ボールなどを使用できます。金属製の鍋や底のトレイは、つや消し黒のスプレー塗料（温めても無毒なもの）、黒のテンペラ 絵具、または火の煤で黒くすることができます。ソーラーボックスクッカーは通常150 ℃（300 °F）の温度に達します 。これは標準的なオーブンほど高温ではありませんが、それでも食品をやや長時間調理するには十分な温度です。^{[ 8 ]}

パネル型ソーラークッカーは、反射パネルを使って太陽光を透明なビニール袋に入った調理鍋に集める、安価なソーラークッカーです。

太陽熱オーブンの科学実験は、アリゾナ大学の「ソーラーオーブン・スローダウン」のように、高校や大学でプロジェクトとして定期的に行われています。^{[ 9 ]}これらのプロジェクトは、高温を達成することと、数学モデルを使用して高温を予測することの両方が可能であることを証明しています。

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  HotPotパネルソーラークッカー
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  使用中のソーラーオーブン
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  段ボール製のソーラーオーブン

複数の放物面型ソーラークッカー

パラボラ型ソーラークッカーは、太陽光を一点に集中させます。この一点が鍋の底に集光されると、鍋を非常に高温に素早く加熱することができ、その温度はガスグリルや炭火グリルで得られる温度に匹敵することがよくあります。このようなタイプのソーラークッカーは、世界のいくつかの地域で広く使用されており、特に中国とインドでは、数十万世帯が現在、食品の調理や水の加熱にパラボラ型ソーラークッカーを使用しています。中国の一部のパラボラ型ソーラークッカープロジェクトは、年間1～4トンの二酸化炭素を削減し、クリーン開発メカニズム（CDM）とゴールドスタンダードを通じて炭素クレジットを受け取っています。一部のパラボラ型ソーラークッカーは、最先端の材料と設計を採用しており、太陽エネルギー効率が90%を超えています。また、インドのオーロヴィルにあるソーラーボウルのように、毎日数千人に食事を提供できるほど大きなものもあり、1,000人に1日2食を提供しています。^{[ 10 ]}

反射鏡が軸対称で、断面が放物線状になっている場合、平行光線（太陽光など）を一点に集光する性質を持ちます。対称軸を太陽に向けている場合、焦点に位置する物体は高濃度の太陽光を受け、非常に高温になります。これが、この種の反射鏡を太陽熱調理に利用する原理です。

放物面は複合曲線であり、単純な装置で作るには単一曲線よりも難しい。放物面型ソーラークッカーは従来のコンロと同等かそれ以上の調理能力を持つが、手作業で製作するのは困難である。そのため、これらの反射板は、それぞれが単一曲線である多数の小さなセグメントを組み合わせて作られることが多く、それらが組み合わさることで複合曲線を近似的に形成する。

固体材料の平らなシートから放物面を作るのは難しいが、液体を入れた開口部のある容器を回転させることで非常に簡単に作ることができる。垂直軸を中心に一定速度で回転する液体の上面は、自然に放物面の形をとる。遠心力によって物質は回転軸から外側へ移動し、重力による水平化効果と釣り合うほど深い窪みが表面に形成される。この窪みはまさに放物面であることがわかる（液体鏡望遠鏡を参照）。回転中に物質が固化すれば、回転が停止した後も放物面形状が維持され、反射鏡を作るのに利用できる。この回転技術は、天体望遠鏡用の放物面鏡を作るのに使われることがあり、ソーラークッカーにも使われている。このような放物面を作るための装置は回転炉として知られている。

放物面反射式コンロは高温を発生させ、短時間で調理できるが、安全な運用には頻繁な調整と監視が必要となる。中国を中心に数十万台が現存しており、特に一般家庭や大規模な施設での調理に重宝されている。

シェフラークッカー（発明者のヴォルフガング・シェフラーにちなんで名付けられた）は、地球の自転を補正するために、地球の自転軸と平行な軸を中心に機械機構で回転する、理想的な放物面形状の大型反射鏡を使用しています。この軸は反射鏡の重心を通るため、反射鏡を容易に回転させることができます。調理容器は回転軸上の焦点に位置しているため、鏡は一日中太陽光を容器に集光します。太陽の赤緯の季節的な変化を補正するために、鏡は時折、垂直軸を中心に傾ける必要があります。この垂直軸は調理容器を通りません。したがって、反射鏡が剛体放物面であれば、反射鏡が傾くと焦点は調理容器に留まりません。焦点を固定するためには、反射鏡の形状を変化させる必要があります。反射鏡は放物面形状を保ちますが、傾くと焦点距離などのパラメータが変化します。そのため、シェフラー反射鏡は柔軟性があり、曲げて形状を調整することができます。反射鏡は、ガラス鏡などの小さな平面状の部品を多数組み合わせ、柔軟なプラスチックで接合して作られることが多い。反射鏡を支えるフレームには、鏡を傾けたり、適切な角度に曲げたりできる機構が備わっている。鏡は厳密には放物面鏡ではないが、調理用途には十分な精度で放物面鏡に近い形状をしている。

回転式反射板は屋外に設置される場合もあり、反射された太陽光は壁の開口部を通って屋内のキッチン（多くの場合、調理が行われる大きな共同キッチン）に差し込む。

重心が焦点と一致する放物面反射鏡は有用です。焦点を通る任意の軸を中心に回転させることで、太陽の空での動きに簡単に追従できます。焦点で交差する2つの直交する軸を使用することで、放物面反射鏡は太陽の日々の動きと季節的な動きの両方に追従できます。調理鍋は焦点で静止したままです。放物面反射鏡が軸対称で、均一な厚さの材料でできている場合、反射鏡の深さ（頂点から縁の平面までの対称軸に沿って測定）が焦点距離の1.8478倍であれば、重心は焦点と一致します。反射鏡の縁の半径は焦点距離の2.7187倍です。焦点から見た縁の角半径は72.68度です。

球面反射鏡

球面反射鏡は放物面反射鏡とよく似た動作をし、対称軸が太陽に向いているため、太陽光が一点に集光されます。ただし、球面反射鏡の焦点は球面収差と呼ばれる現象の影響を受けるため、点焦点にはなりません。精密な焦点を必要としない集光アンテナ（衛星放送受信アンテナなど）の中には、放物面ではなく球面曲率を採用するものもあります。球面反射鏡の縁の半径がその表面の曲率半径（反射鏡がその一部となっている球の半径）に比べて小さい場合、反射鏡は焦点距離が曲率半径の半分に等しい放物面反射鏡に近似します。^{[ 13 ]}

ユダヤ世界監視団、オランダの財団KoZon、Solar Cookers Internationalの共同の努力により、10,000個以上のソーラークッカー用の段ボール、アルミホイル、ビニール袋がチャドのイリディミ難民キャンプとトゥルム難民キャンプに寄贈されました。難民たちは寄贈された材料と地元で購入したアラビアゴムを使って自分たちでクッカーを組み立てています。^{[ 19 ]} また、これにより女性が毎日直火の世話をする時間が大幅に減り、その結果、彼女たちはより健康になり、家族のために野菜を育てたり、輸出用の手工芸品を作ったりする時間が増えました。^{[ 19 ]} 2007年までに、ユダヤ世界監視団は4,500人の女性を訓練し、10,000個のソーラークッカーを難民に提供しました。このプロジェクトにより、食料調達の回数も最大70%減少し、攻撃の回数も減少しました。

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