Как сделать солнечную печь своими руками. Большая солнечная печь

Как известно, поток тепла, что посылает нам солнце, весьма велик, даже в средней полосе летом он легко достигает одного киловатта на квадратный метр. Киловатт - это примерно, как комфорка электропечки. И грех пропадать без дела такому количеству энергии.

В данном обзоре, хочется обратить внимание самодельщиков на то, как с помощью простейших материалов и конструкций можно изготовить реально работающие солнечные печи в которых можно готовить еду, сушить грибы, или, например, получать тепло для работы термогенератора на элементах Пельтье.

В основном, в мире, при использовании подобных конструкций, основной упор делается на приготовлении пищи, либо обеззараживания воды без использования огня. Но что мешает применить всё это и для других целей.

Не стоит также думать, что все подобные конструкции были придуманы для жарких стран и работают только там. Ничего подобного. Первые (упоминаемые) солнечные печи были изобретены Хорасом де Соссьюр, швейцарским натуралистом ещё в 1767 году. Сейчас же солнечные кухни используются от жарких пустынь Африки до лесов Канады. В средней полосе России такие кухни могут реально работать примерно 5…6 месяцев в году, однако, в некоторых районах Сибири, где континентальный климат обеспечивает ясное небо в течение многих дней, до 300 дней в году. Т.е. пока солнце светит.

Конструкции

Какие конструкции солнечных печей существуют в настоящее время? Основных типов три:

1. Коробочные.
2. С зеркалом-концентратором.
3. Комбинированные.

Коробочная солнечная печь.

Солнечная печь с концентратором.

Комбинированная конструкция солнечной печи.

Все эти конструкции могут быть легко изготовлены с помощью подручных материалов - картона, фольги, клея и т.п. На примерах ниже всё это будет хорошо видно.

Коробочные солнечные печи

Представляют собой теплоизолированную коробку, чаще всего из обычного картона, верх которой покрыт прозрачным стеклом или пластиком. К такой коробке для увеличения сбора тепла часто добавляют один или несколько зеркал-отражателей.

Такие нагреватели используются в основном для относительно медленного приготовления больших объемов пищи.

Коробочные солнечные печи

Собственно, конструкция явна видна на снимках. Как дополнение можно отметить, что:

1. Внутренние стенки ящика также должны быть покрыты фольгой, т.е. иметь хорошее отражение.

2. Кастрюля же, наоборот, должна хорошо поглощать лучи, т.е. быть черной, например, закопчёной.

3. Должна быть хорошая термоизоляция стенок ящика, чтобы тепло не уходило наружу, как сквозь стенки, так и в щель между верхним стеклом и стенками.

В качестве термоизоляции обычно используют картон, бумагу или другие естественные материалы, которые бы не выделяли вредных веществ при нагревании.

Температура в подобной печи может достигать 150…170 гр.С. Но даже с картонной коробкой бояться возгорания не стоит, т.к. температура для этого недостаточна.

Долговечность таких картонных конструкций может быть весьма высокой - до 10 лет.

Примеры более основательной конструкции.

Солнечные кухни с параболическим концентратором

Эти плиты представляют собой обычное вогнутое зеркало, собирающее лучи в своём фокусе. Совсем необязательно добиваться идеальной геометрии такого зеркала, т.к. в фокусе обычно расположена весьма большая по площади кастрюля.

Особенность таких кухонь является большая температура нагрева "цели". Т.е. её удобно использовать, когда нужно быстро, как на обычной плите, приготовить относительно небольшое количество пищи.

Недостатками такой конструкции являются: необходимость следить за солнцем (приходится поворачивать зеркало примерно раз в полчаса), и возможность получения ожогов глаз и рук при неосторожном обращении.

Несмотря на кажущуюся сложность изготовления отражателя, он также весьма прост и может быть изготовлен из картона и фольги. Пример и последовательность сборки одного из вариантов, показаны на рисунках ниже.

Общий вид.

Раскройка одного из лепестков. Всего 12 шт.

Лепестки из картона вначале соединяют по длинной стороне.

Затем соединяют внутреннюю часть полученной тарелки-концентратора.

Стягивают проволокой основание.

Вот, что получается в результате (вид снаружи и изнутри).

Внутри укрепляют подставку для кастрюли.

Как видим, ничего сложного. Даже описывать нечего, картинки объясняют всё.

Комбинированная схема солнечной печи.

Является наиболее простой по конструкции, и представляет собой зеркало-концентратор, состоящее из нескольких плоских зеркал и кастрюли, которая термоизолирована от окружающего воздуха обычным полиэтиленовым пакетом.

Комбинированная конструкция

Ниже дана выкройка одной из реальных отработанных конструкций подобных печей. Напомню, в качестве зеркала используется обычный картон с наклеенной на одну его сторону алюминиевой фольгой.

Выкройка зеркала для комбинированной солнечной печи.

Особенностью данной конструкции, является возможность её складывания в компактный блок размерами, примерно, 33х33 см.

Складывание.

А вот как это выглядит живьём.

Заключение

Целью данной статьи, было обратить внимание туристов (и других человеков) на подобные солнечные нагреватели. Хотя, за рубежом они и позиционируются, в основном, как устройства для приготовления пищи, но, если подойти творчески, то можно найти им множество применений и в других областях.

Ведь основное достоинство таких печей - это дешевизна и минимальный вес (картонка с фольгой).

Солнечная печь – это автономная печь, работающая без использования горючего топлива и электроэнергии, а только за счет солнечной энергии, которая является экологичным бесплатным возобновляемым природным ресурсом большой емкости.

Описание:

Солнечная печь – это автономная печь, работающая без использования горючего топлива и электроэнергии , а только за счет солнечной энергии, которая является экологичным бесплатным возобновляемым природным ресурсом большой емкости.

Для максимальной эффективности солнечная печь должна использоваться в местах с высокой освещенностью, с наибольшим количеством дней ясной погоды и теплой температурой окружающей среды. Чем меньше освещенность и холоднее температура окружающей среды, тем меньше КПД печи.

Общий принцип работы солнечных печей:

Конструкция солнечной печи может быть любой, но принцип их работы одинаковый.

Прямые и отраженные от зеркальной поверхности солнечные лучи направляются и концентрируются, повышая температуру в определенной области, в которую ставится посуда для приготовления пищи, окрашенная в темный цвет для лучшего нагрева.

Преимущества:

– автономность. Солнечная печь не зависит от подключения к сети электроснабжения, склада и топлива , так как для работы она использует только тепловую энергию от солнца,

– экологичность. Работа печи не наносит вред окружающей среде,

– мобильность. Возможность перенести печь в нужно место без особых усилий,

– пожаробезопасность. Исключено использование горючего топлива и электричества.

Применение:

Солнечная печь используется для:

– нагревания воды;

– приготовления пищи;

При меняющихся условиях окружающей среды, солнечную печь можно использовать совместно с другими видами печей для экономии топливных ресурсов.

Виды солнечных печей, которые наиболее распространены:

Коробчатый вид:

Солнечная печь представляет собой ящик, закрывающийся сверху стеклом, которое пропускает внутрь солнечные лучи, но не выпускает наружу тепловую энергию. По боковым сторонам конструкции для увеличения нагрева устанавливаются отражающие панели, которые при настроенном угле наклона направляют внутрь печи лучи солнца. В таком виде печей предусматривается, чтобы панели закрывались после использования для более удобной и безопасной транспортировки и хранения.

Для нагрева печь использует прямые и отраженные рассеянные солнечные лучи.

Параболический отражатель:

Солнечная печь представляет собой вогнутый зеркальный диск, в фокусе которого размещена площадки для емкости, где происходит приготовление пищи. Такой вид солнечных печей требует подстройки под солнце, что осуществляется ручным или автоматическим приводом, который позволяет направлять конструкцию по движению солнца и получать максимальную тепловую энергию.

Подобных сооружений на самом деле в мире насчитывается несколько. Давайте мы начнем с Solar Furnace in France, т.е с Франции.

Солнечная Печь во Франции предназначена для выработки и концентрации высоких температур, необходимых для различных процессов.

Это осуществляется посредством улавливания солнечных лучей и концентрирования их энергии в одном месте. Сооружение покрыто изогнутыми зеркалами, их сияние настолько велико, что смотреть на них бывает невозможно, до боли в глазах. В 1970 году было воздвигнуто это сооружение, в качестве самого подходящего места были выбраны Восточные Пиренеи. И до сегодняшнего дня Печь остается крупнейшей во всем мире.

На массив зеркал возложены функции параболического отражателя, а высокий температурный режим в самом фокусе может доходить до 3500 градусов. Причем и регулировать температуру можно с помощью изменения углов наклона зеркал.

Солнечная Печь, используя такой природный ресурс как солнечный свет, считается незаменимым способом для получения высоких температур. А они, в свою очередь, используются для разнообразных процессов. Так, производство водорода требует температуры в 1400 градусов. Тестовые режимы материалов, проводящиеся в высокотемпературных условиях, предусматривают температуру 2500 градусов. Так тестируются космические аппараты и атомные реакторы.

Так что Солнечная Печь - не просто удивительное здание, но и жизненно необходимое и эффективное, при этом оно считается экологичным и относительно дешёвым способом получить высокие температуры.

Массив зеркал действует в качестве параболического отражателя. Свет фокусируется в одном центре. И температура там может достигать температур, при которых можно плавить сталь.

Но температуру можно регулировать, устанавливая зеркала под разными углами.

Например, температура около 1400 градусов используется для производства водорода. Температура 2500 градусов - для тестирования материалов в экстремальных условиях. Например, так проверяют атомные реакторы и космические аппараты. А вот температура до 3500 градусов применяется для изготовления наноматериалов.

Солнечная Печь - недорогой, эффективный и экологичный способ получения высоких температур.

На юго-западе Франции замечательно приживается виноград и вызревают всевозможные фрукты — жарко! Кроме прочего, солнце здесь светит чуть не 300 дней в году, а по количеству ясных дней эти места уступают, пожалуй, только Лазурному берегу. Если же охарактеризовать долину около Одейо с точки зрения физики, то мощность светового излучения здесь составляет 800 ватт на 1 квадратный метр. Восемь мощных лампочек накаливания. Немного? Достаточно, чтобы кусочек базальта растекся лужицей!

— Солнечная печь в Одейо обладает мощностью 1 мегаватт, и для этого необходимо почти 3 тысячи метров зеркальной поверхности, — рассказывает Серж Шовин, смотритель местного музея солнечной энергии. — Причем собрать свет с такой большой поверхности нужно в фокусную точку диаметром со столовую тарелку.

Напротив параболического зеркала установлены гелиостаты — специальные зеркальные плиты. Их 63 штуки со 180 секциями. У каждого гелиостата своя «точка ответственности» — сектор параболы, на который отражается собранный свет. Уже на вогнутом зеркале лучи солнца собираются в точку фокуса — ту самую печь. В зависимости от интенсивности излучения (читай — ясности неба, времени суток и поры года) температуры можно достичь самые разные. В теории — до 3800 градусов по Цельсию, в реальности выходило до 3600.

— Вместе с движением солнца по небу двигаются и гелиостаты, — начинает свою экскурсию Серж Шовин. — Сзади у каждого установлен двигатель, а все вместе они управляются централизованно. Необязательно устанавливать их в идеальную позицию — в зависимости от задач лаборатории градус в точке фокуса можно варьировать.

Солнечную печь в Одейо начали строить в начале 60-х, а в строй ввели уже в 70-х. Долгое время она оставалась единственной в своем роде на планете, однако в 1987-м копию возвели неподалеку от Ташкента. Серж Шовин улыбается: «Да-да, именно копию».

Советская печь, к слову, тоже остается действующей. На ней, правда, проводят не только опыты, но и выполняют некоторые практические задачи. Правда, расположение печи не позволяет достичь таких же высоких температур, как во Франции — в точке фокуса узбекским ученым удается получить менее 3000 градусов.

Параболическое зеркало состоит из 9000 пластинок — фацетов. Каждая из них отполирована, имеет алюминиевое напыление и чуть вогнута для лучшей фокусировки. После постройки здания печи все фацеты были установлены и откалиброваны вручную — на это ушло три года!

Серж Шовин ведет нас на площадку неподалеку от здания печи. Вместе с нами — группа туристов, прибывших в Одейо на автобусе — поток любителей научной экзотики не иссякает. Музейный смотритель собрался наглядно продемонстрировать скрытый потенциал солнечной энергии.

— Мадам и месье, ваше внимание! — Серж хоть и выглядит скорее как ученый, больше похож на актера. — Свет, излучаемый нашей звездой, позволяет мгновенно нагревать материалы, воспламенять и плавить их.

Сотрудник солнечной печи поднимает обычную ветку и размещает ее в большом чане с зеркальной внутренней поверхностью. У Сержа Шовина уходит несколько секунд на поиск точки фокусировки, и палка моментально вспыхивает. Чудеса!

Пока французские бабушки и дедушки ахают и охают, музейщик переходит к отдельно стоящему гелиостату и двигает его ровно так, чтобы отраженные лучи попали в уменьшенную копию параболического зеркала, установленного тут же. Это еще один наглядный эксперимент, показывающий возможности солнца.

— Мадам и месье, сейчас мы будем плавить металл!

Серж Шовин устанавливает в держатель кусочек железа, двигает тисками в поиске точки фокуса и, найдя ее, отходит на небольшое расстояние.

Солнце быстро делает свое дело.

Кусочек железа моментально нагревается, начинает дымить и даже искрить, поддаваясь жарким лучам. Буквально за 10—15 секунд в нем прожигается дырочка размером с монету в 10 евроцентов.

— Вуаля! — ликует Серж.

Пока мы возвращаемся в здание музея, а французские туристы рассаживаются в кинозале для просмотра научного фильма о работе солнечной печи и лаборатории, смотритель рассказывает нам любопытные вещи.

— Чаще всего люди спрашивают, зачем все это нужно, — разводит руками Серж Шовин. — С точки зрения науки возможности солнечной энергии изучены, применены где это возможно в быту. Но существуют задачи, которые по своему масштабу и сложности исполнения требуют установок, подобных этой. Например, как нам смоделировать воздействие солнца на обшивку космического корабля? Или нагрев спускаемой капсулы, возвращающейся с орбиты на Землю?

В специальной тугоплавкой емкости, установленной в точке фокуса солнечной печи, можно воссоздать такие, без преувеличения, неземные условия. Подсчитано, например, что элемент обшивки должен выдерживать температуру в 2500 градусов по Цельсию — и опытным путем это можно проверить здесь, в Одейо.

Смотритель ведет нас по музею, где установлены различные экспонаты — участники многочисленных экспериментов, проведенных в печи. Наше внимание привлекает тормозной карбоновый диск…

— О, эта штука от колеса болида Формулы-1, — кивает Серж. — Ее нагрев в некоторых условиях сопоставим с тем, что мы можем воспроизвести в лаборатории.

Как уже говорилось выше, температурой в точке фокуса можно управлять при помощи гелиостатов. В зависимости от проводимых опытов она варьируется от 1400 до 3500 градусов. Нижний предел необходим для производства водорода в лаборатории, диапазон от 2200 до 3000 — для тестирования различных материалов в условиях экстремального нагрева. Наконец, выше 3000 — область работы с наноматериалами, керамикой и созданием новых материалов.

— Печь в Одейо не выполняет практических задач, — продолжает Серж Шовин. — В отличие от узбекских коллег, мы не зависим от собственной хозяйственной деятельности и занимаемся исключительно наукой. Среди наших заказчиков не только ученые, но и самые разные ведомства, например оборонное.

Мы как раз останавливаемся у керамической капсулы, которая оказывается корпусом корабля-беспилотника.

— Военное министерство построило солнечную печь меньшего диаметра для собственных практических нужд здесь же, в долине у Одейо, — говорит Серж. — Ее можно увидеть с некоторых участков горной дороги. Но за научными экспериментами они все равно обращаются к нам.

Смотритель объясняет, в чем преимущество солнечной энергии перед любой другой в ходе выполнения научных задач.

— Во-первых, солнце светит бесплатно, — загибает он пальцы. — Во-вторых, горный воздух способствует проведению опытов в «чистом» виде — без примесей. В-третьих, солнечный свет позволяет нагревать материалы значительно быстрее, чем любые другие установки, — для некоторых экспериментов это крайне важно.

Любопытно, что печь может работать практически круглый год. По словам Сержа Шовина, оптимальным месяцем для проведения экспериментов является апрель.

— Но если нужно, кусочек металла для туристов солнце расплавит хоть в январе, — улыбается смотритель. — Главное, чтобы небо было ясным и безоблачным.

Одним из неоспоримых преимуществ самого существования этой уникальной лаборатории является полная ее открытость для туристов. Ежегодно сюда приезжает до 80 тысяч человек, и это делает для популяризации науки среди взрослых и детей намного больше, чем школа или университет.

Фон-Ромё-Одейо — типичный пасторальный французский городок. Его главное отличие от тысяч таких же — сосуществование таинства бытовой жизни и науки. На фоне 54-метровой зеркальной параболы — горные молочные коровы. И постоянное жаркое солнце.

Теперь перейдем у другому сооружению.

В сорока пяти километрах от Ташкента, в Паркентском районе, в предгорьях Тянь-Шаня на высоте 1050 метров над уровнем моря находится уникальное сооружение — так называемая Большая Солнечная Печь (БСП) мощностью в тысячу киловатт. Она расположена на территории Института материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Таких печей в мире всего две, вторая находится во Франции.

БСП была запущена в эксплуатацию еще при Союзе в 1987 году, — рассказывает ученый секретарь Института материаловедения НПО «Физика-Солнце» кандидат технических наук Мирзасултан Маматкасымов. — Для сохранения этого уникального объекта из госбюджета выделяются достаточные средства. Две лаборатории института расположены у нас, четыре — в Ташкенте, где находится основная научная база, на которой осуществляется изучение химических и физических свойств новых материалов. У нас же производится процесс их синтеза. Мы экспериментируем с этими материалами, наблюдая за процессом плавки при различных температурах.

БСП представляет собой сложный оптико-механический комплекс с автоматическими системами управления. Комплекс состоит из гелиостатного поля, расположенного на склоне горы и направляющего солнечные лучи в параболоидный концентратор, который представляет собой гигантское вогнутое зеркало. В фокусе этого зеркала создается высочайшая температура — 3000 градусов по Цельсию!

Гелиостатное поле состоит из шестидесяти двух гелиостатов, расположенных в шахматном порядке. Они обеспечивают зеркальную поверхность концентратора световым потоком в режиме непрерывного слежения за Солнцем в течение всего дня. Каждый гелиостат размером семь с половиной на шесть с половиной метров состоит из 195 плоских зеркальных элементов, называемых «фацетами». Отражающая площадь гелиостатного поля равна 3022 квадратных метров.

Концентратор, на который гелиостаты направляют солнечные лучи, представляет собой циклопическое сооружение высотой сорок пять метров и шириной пятьдесят четыре метра.

Следует отметить, что преимущество солнечных печей, по сравнению с печами других типов, состоит в мгновенном достижении высокой температуры, позволяющей получать чистые материалы без примесей (благодаря также чистоте горного воздуха). Используются они для нефтегазовой, текстильной и ряда других промышленностей.

Зеркала имеют определенный срок эксплуатации и рано или поздно выходят из строя. В наших цехах мы изготавливаем новые зеркала, которые устанавливаем взамен старых. Их только в концентраторе 10700, а в гелиостатах 12090 штук. Процесс изготовления зеркал происходит в вакуумных установках, где на поверхность отработанных зеркал напыляется алюминий.

Фергана.Ру: - Как вы решаете проблему поиска специалистов, ведь после развала Союза происходил их отток за рубеж?

Мирзасултан Маматкасымов: - В момент запуска установки в 1987 году здесь работали специалисты из России, Украины, которые обучали наших. Благодаря нашему опыту теперь мы имеем возможность готовить специалистов в этой области самостоятельно. Молодежь приходит к нам с физического факультета Национального университета Узбекистана. Сам я после окончания университета работаю здесь с 1991 года.

Фергана.Ру: - Когда взираешь на это грандиозное сооружение, на ажурные металлические конструкции, как бы парящие в воздухе и при этом поддерживающие «броню» концентратора, в памяти всплывают кадры научно-фантастических фильмов…

Мирзасултан Маматкасымов: - Ну, на моем веку снимать научную фантастику, используя эти уникальные «декорации», здесь пока никто не пытался. Правда, приезжали звезды узбекской эстрады, чтобы снимать свои клипы.

Мирзасултан Маматкасымов: - Сегодня мы будем плавить брикеты, спрессованные из порошкообразного оксида алюминия, температура плавления которого составляет 2500 градусов по Цельсию. В процессе плавки материал стекает с наклонной плоскости и капает в специальный поддон, где образуются гранулы. Их отправляют в керамический цех, расположенный неподалеку от БСП, где измельчают и применяют для изготовления различных керамических изделий, начиная от мелких нитеводителей для текстильной промышленности и заканчивая полыми керамическими шарами, внешне напоминающими бильярдные. Шары используются в нефтегазовой промышленности в качестве поплавков. При этом с поверхности нефтепродуктов, хранящихся в больших емкостях на нефтебазах, испарение уменьшается на 15-20 процентов. За последние годы мы изготовили около шестисот тысяч таких поплавков.

Для электротехнической промышленности мы изготавливаем изоляторы и другие изделия. Они отличаются повышенной износостойкостью и прочностью. Кроме оксида алюминия мы также используем более тугоплавкий материал — оксид циркония с температурой плавления 2700 градусов по Цельсию.

Контроль за процессом плавки осуществляется так называемой «системой технического зрения», которая оснащена двумя специальными телекамерами. Одна из них непосредственно передает изображение на отдельный монитор, другая — на компьютер. Система позволяет как наблюдать за процессом плавки, так и проводить различные измерения.

Следует добавить, что БСП используют и как универсальный астрофизический инструмент, открывающий возможности проведения исследований звездного неба в ночное время.

Кроме вышеперечисленных работ в институте большое внимание уделяется изготовлению медицинского оборудования на базе функциональной керамики (стерилизаторы), абразивных инструментов, сушилок и многого другого. Такое оборудование успешно внедрено в медицинские учреждения нашей республики, а также в аналогичные учреждения Малайзии, Германии, Грузии и России.

Параллельно в институте были разработаны солнечные установки малой мощности. Так, например, учеными института созданы солнечные печи мощностью полтора киловатт, которые были установлены на территории Таббинского института металлургии (Египет) и в Международном металлургическом центре в Хайдарабаде (Индия).

http://victorprofessor.livejournal.com/profile

А вот еще по этой теме . Конечно же вспомним еще и вообще про . Ах да, а вот вы знаете

Проблема освоения возобновляемых источников энергии с каждым годом становится всё более актуальной. Интерес к этим ним постоянно растет, поскольку во многих отношениях они неограниченны, а ископаемое топливо конечно и дорогостояще. Эта проблема актуальна как в общемировом масштабе, так и в частной жизни. Можно ли использовать возобновляемые источники энергии в повседневной жизни отдельно взятой семьи? Можно ли, применяя различные конструкции, использовать солнечную энергию?

Летом я часто езжу на рыбалку, и вопрос приготовления еды там связан с разжиганием костра, а значит, поиском дров, подготовкой площадки, не говоря уже о технике безопасности. Во многих местах зачастую вообще запрещено разводить огонь. Как же тогда готовить пищу? В связи с этим меня особенно интересует вопрос получения тепла из энергии света. Поиск ответов на поставленные вопросы определил задачи моего исследования:

Изучить, что такое солнечная энергия и каковы особенности её использования.

Изучить историю развития солнечной энергетики в целом и гелиотермальной энергетики, в частности.

Рассмотреть возможности применения гелиотермальных конструкций (солнечных печей).

Сконструировать несколько моделей солнечных печей.

Провести эксперимент с целью установить, в какой печи быстрее и эффективнее можно приготовить еду.

Провести презентацию и продемонстрировать достоинства и недостатки солнечной печи.

Цель: изготовить солнечную печь самостоятельно в домашних условиях и продемонстрировать результаты её работы.

Актуальность данной работы обусловлена малой осведомленностью школьников об альтернативных источниках энергии и возможностью их применения в повседневной жизни.

Гипотеза моего исследования: можно изготовить своими руками печь, работающую на солнечной энергии.

Объект исследования – солнечная печь.

Предмет исследования – тепловая энергия, полученная путем преобразования солнечной энергии.

Методы исследования: изучение и сбор информации в печатных изданиях, интернет-сайтах; изготовление солнечных печей разных конструкций; эксперимент.

Практическая значимость моей работы: в результате исследования я выяснил, как можно использовать энергию Солнца для получения тепла с целью приготовления пищи, изготовил несколько различных моделей солнечных печей и доказал, что они работают эффективно, представил результаты своей работы на презентации с целью продемонстрировать возможности применения солнечной печи.

Обзор литературы . В процессе работы я использовал интернет-источники для получения информации о возобновляемых источниках энергии (7), возможностях применения солнечной энергии (10, 11, 15), истории развития солнечной энергетики (6, 13). Используя энциклопедии и учебники по физике, я узнал, как солнечная энергия превращается в тепловую (2), какие конструкции необходимы для сбора солнечной энергии (1, 3). В статьях я прочитал о существующих солнечных печах (5, 12, 14), узнал о том, как можно изготовить такую печь своими руками (4, 8, 9). Информация, найденная в Википедии, позволила мне убедиться в том, что применение солнечной печи в Омске будет возможно (16).

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Солнечная энергия и особенности её использования

Одним из основных источников энергии является Солнце. Солнечная энергия – это энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку ее запасы практически неистощимы (астрономы подсчитали, что Солнце будет «гореть» еще несколько миллионов лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам .

Сфера применения солнечной энергии довольно обширна, и с каждым годом она расширяется. Ведь энергия солнца сравнительно дешева, неисчерпаема и экологична. Использование всего 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу .

Солнечную энергию используют для получения электрической, механической и тепловой энергии как в промышленных масштабах, так и для частных нужд.

Солнечная энергия падает на поверхность Земли довольно равномерно, нигде не достигая особой интенсивности. Для эффективного использования её нужно уловить, сконцентрировать и превратить в форму, которую можно использовать для бытовых, промышленных и транспортных нужд .

С этой целью конструируются солнечные коллекторы. Они используются для электроснабжения, теплоснабжения (горячего водоснабжения, отопления), сушки различных продуктов и материалов, в сельском хозяйстве, в технологических процессах в промышленности.

Однако, помимо неоспоримых плюсов (неисчерпаемость и безопасность для окружающей среды), использование солнечной энергии имеет ряд минусов. Они представлены в Приложении 1. Там же представлены варианты решения указанных проблем. Особенности, связанные с гелиотермальной энергетикой (получением тепла из солнечной энергии), рассмотрены в следующих главах данной работы.

История развития солнечной энергетики

С давних пор человечество начало использовать энергию Солнца с целью получения тепла. По археологическим данным известно, что древние люди обустраивали свои жилища в открытых солнечным лучам местах.

Древние греки и римляне также старались использовать солнечную энергию для освещения и обогрева своих жилищ. Древнегреческий драматург Эсхил писал, что цивили­зованные народы тем и отличаются от варваров, что их дома «обра­щены лицом к солнцу». Римский писатель Плиний Младший указы­вал, что его дом, расположенный севернее Рима, «собирал и увели­чивал тепло солнца за счет того, что его окна располагались так, чтобы улавливать лучи низкого зим­него солнца».

В 287 году до н. э., Архимед сконструировал солнечную пушку при помощи зеркал и отполированных до блеска щитов. Согласно легенде, во время осады Сиракуз римским флотом этой пушкой защитники города сожгли корабли противника .

В 1839 году француз Александр Беккерель открыл фотогальванический элемент. А спустя 44 года Чарльз Фриттс сконструировал первый модуль с использованием солнечной энергии. Именно 1883 год принято считать годом рождения эры солнечной энергетики. А в 1905 году Альберт Эйнштейн дал его объяснение этого явления с позиции квантовой теории. В 1921 году за это открытие он был удостоен Нобелевской премии .

В то время использование солнечной энергии для получения электричества и тепла осуществлялось в основном с научными целями. Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам ХХ столетия. В 1989 году американской фирмой Loose industries была введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция, которая продемонстрировала, что газ и Солнце как основные источники энергии ближайшего будущего способны дополнять друг друга. В ночное время и зимой энергию дает газ, а летом и в дневное время – Солнце .

Солнечное теплоснабжение получило развитие во многих странах мира. Только в США эксплуатируются солнечные коллекторы площадью 10 млн. кв.м, что обеспечивает годовую экономию топлива до 1,5 млн. тонн.

Одним из лидеров использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фото-преобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Программа «Солар-91» вносит существенный вклад в решение проблемы энергетической независимости Швейцарии, которая импортирует более 70% энергии .

В 2010 году в Белгородской области была введена в эксплуатацию первая в России промышленная солнечная станция мощностью 100 кВт; разрабатываются проекты строительства станций в Ставропольском крае («Хевел») и Иркутской области («НИТОЛ»). Однако в целом в России солнечная энергетика пока развита слабо. Использование солнечных коллекторов в России составляет около 0,2 кв.м на 1000 чел. Для сравнения: в Германии эксплуатируется 140 кв.м на 1000 чел., в Австрии 450 кв.м. на 1000 чел., на Кипре около 800 кв.м. на 1000 чел.

По данным Объединенного института высоких температур РАН, на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/кв.м (для сравнения: на юге Испании - 5,5-6,0 кВтч/кв.м, на юге Германии - до 5 кВтч/кв.м). То есть показатели, сравнимые с европейскими условиями, где солнечная энергетика широко распространена .

Солнечная энергетика обладает огромным потенциалом в таких районах как Краснодарский край, Ставрополье, Якутия, Магаданская область и Сибирь. Применение солнечной энергии особенно полезным будет для регионов, где подключение к единой энергосистеме обойдется слишком дорого. К таким регионам относятся районы Восточной Сибири и Дальнего Востока, на долю которых выпадает большое количество солнечных часов.

Возможности применения гелиотермальных конструкций

Предметом исследования в данной работе стала тепловая энергия, получаемая из солнечной, поэтому рассмотрим особенности её применения подробнее.

Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул, то есть в тепловую энергию. Результатом этого процесса является повышение температуры тела .

Примером могут служить камни, раскаленные на солнце в жаркий солнечный день. Однако в других погодных условиях или для того, чтобы температура тела достигла более высоких величин, необходимо уловить большее количество солнечных лучей, сконцентрировать их и направить на нагреваемую поверхность. Это можно сделать с помощью гелиотермальных конструкций (или солнечных печей) .

Самая большая солнечная печь в мире была построена во Франции в 1970 году в Пиренейских горах, на высоте 1700 метров, где воздух чист, более 300 дней в году светит солнце и очень мало пыли, которая мешала бы отражению солнца (Рис.1) .

Крупнейшая на территории бывшего СССР солнечная печь находится в Узбекистане, около 45 км от Ташкента на высоте 1050 метров (Рис. 2) .

На склоне горы установлены в шахматном порядке зеркала – гелиостаты, которые отражают солнечные лучи на концентратор, представляющий собой зеркало размером почти в 2000 квадратных метров. Концентратор собирает лучи в одну точку, и отражает их в печь, высотой с девятиэтажный дом. Температура в печи достигает 3000-4000 градусов . Солнечных печей такого размера в мире всего две. В основном они используются для научных исследований в области плавления металлов.

К настоящему времени изобретены и изготовлены гелиоконструкции гораздо меньших размеров. Они направлены актуальны для промышленного использования: для обогрева зданий, нагрева воды, приготовлении пищи.

В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные гелиоустановки. Их монтируют на крышах и фасадах зданий. Одна установка занимает примерно 20-30 квадратных метров. Она вырабатывает достаточно энергии для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома.

Крупные фирмы также монтируют на крышах производственных корпусов гелиостанции, способные покрыть потребности предприятия в электричестве и тепле на 50-70%. Так, солнечные панели, установленные по заказу фирмы Biral на крыше ее производственного корпуса в Мюнзингене, почти полностью покрывают технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии.

Можно сделать вывод, что развитые европейские страны активно используют солнечную энергию для получения электричества и тепла для обогрева зданий. А вот использование гелиотермальных установок для приготовления пищи особенно актуально в развивающихся странах, где топливо очень дорого для подавляющего большинства населения (Индия, Мали, Кения, Пакистан), а солнечная энергия присутствует в избытке.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Солнечная печь

Объектом исследования данной работы стало устройство, позволяющее преобразовать солнечную энергию в тепловую, – гелиотермальная установка. Особенно меня заинтересовала возможность самостоятельно изготовить небольшую солнечную печь, которая может использоваться в повседневной жизни для приготовления пищи.

Актуальность применения подобных печей подтвердили результаты конкурса, организованного газетой The Financial Times и благотворительной организацией Forum for the Future. Участники представляли проекты, которые могут положительно сказаться на состоянии окружающей среды. Победителем стал норвежский изобретатель Йон Бомер, предложивших простую конструкцию солнечной печи из картонной коробки и куска фольги .

Комиссар ООН по беженцам поддержал использование таких печей в лагере беженцев Иридими, где нашли убежище около 18 тысяч людей, вынужденных покинуть Суданскую провинцию Дарфур. В этом регионе нет местных энергоносителей. В результате проекта ООН, беженцы получили около 15 тысяч картонных солнечных печей для приготовления пищи. Как мы видим, использование подобных конструкций актуально во всем мире.

Почему еду лучше готовить в солнечной печи? Во-первых, это удобно: можно положить продукты в кастрюлю, поставить в печь и заниматься другими делами . Еда, приготовленная солнцем, не подгорит, не прилипнет к посуде и не переварится. Это особенно актуально на отдыхе или на рыбалке, когда не хочется тратить время на приготовление обеда. Нужно лишь периодически поворачивать печь вслед за движением солнца.

Во-вторых, солнечная печь не требует денежных вложений. За нее нужно заплатить только один раз при покупке или изготовить самостоятельно из подручных материалов. При использовании солнечной печки не придется покупать уголь и баллоны с газом или платить за электричество,

В-третьих, можно готовить еду на улице в течение всего лета, тем самым сохраняя прохладу внутри дома.

В-четвертых, солнечные печи не наносят вреда окружающей среде. Воздух не загрязняется дымом или парниковыми газами. Готовить в такой печи можно даже в парках, где обычно запрещено разведение открытого огня. Солнечная печь не представляет никакой угрозы возгорания.

В-пятых, солнечная печь не зависит от электричества, что позволяет не зависеть от перебоев с электроэнергией, которые частенько случаются, например, на дачном участке.

Конечно, у солнечной печи есть и ряд недостатков:

Еда в некоторых моделях солнечных печей приготовляется медленно (с другой стороны это можно рассматривать как достоинство, ведь медленно приготовленная пища содержит больше витаминов).

Солнечная печь работает только когда светит Солнце.

Нужны первоначальные затраты на приобретение печи или на её изготовление.

В зависимости от типа конструкции, выделяют три основных вида солнечных печей: коробочная печка, с зеркалом-концентратором, комбинированная печь.

Я решил изготовить три вида печей и сравнить их между собой – по стоимости, сложности конструкции и быстроте приготовления пищи.

Изготовление коробочной солнечной печи

Благодаря своим преимуществам, солнечные коробочные печи являются наиболее распространенным видом солнечных печей. Они бывают разных видов: промышленного производства и самодельные; формой могут напоминать плоский чемоданчик или широкий низкий ящик. Бывают и стационарные печи, сделанные из глины, с горизонтально расположенной крышкой (в тропических и субтропических районах) или наклонной (в умеренном климате).

Коробочная печь применяется для небыстрого приготовления еды в большом количестве. Это коробка со стеклянным или пластиковым верхом с наличием отражательных зеркал. Как правило, требует теплоизоляции .

Такую печь можно сделать совсем просто (из двух обувных коробок разного размера) или чуть посложнее, но из более долговечных материалов – из металла и дерева. Примеры коробочных печей представлены на Рис.3

Рис. 3. Примеры коробочных солнечных печей

Я решил изготовить коробочную солнечную печь из картона. Для этого мне понадобились следующие материалы: две обувные коробки разного размера, утеплитель (минеральная вата, кусок пенопласта), фольга, черная пленка и кусок стекла (Рис.4).

Рис. 4. Изготовление коробочной солнечной печи

Я взял большую коробку, выстелил её дно слоем ваты. Маленькую коробку я оклеил изнутри фольгой и вставил внутрь большой коробки. Затем я проложил между стенок коробок пенопласт для теплоизоляции. Наружную сторону большой коробки я оклеил черной пленкой. Сверху печь накрывается стеклом , которое пропускает солнечное излучение в ящик и удерживает тепло внутри .

Внешняя крышка коробки также оклеена фольгой , будучи откинутой, она усиливает падающее излучение, а в закрытом виде улучшает теплоизоляцию печи (Рис.) .

Рис. 5. Готовая коробочная солнечная печь

Стоимость изготовления печки составила 50 рублей (стоимость фольги, остальные материалы не потребовали финансовых затрат).

Изготовление солнечной печи с зеркалом-концентратором

Солнечная печь с зеркалом-концентратором представляет собой вогнутое зеркало, собирающее солнечные лучи. В фокусе такого зеркала располагается кастрюля, в которой готовится пища. Особенность такой печки – большая температура нагрева. Это очень удобно, когда нужно быстро приготовить небольшое количество пищи.

Солнечную печь с зеркалом-концентратором также можно изготовить из разных материалов (картон, пластик, дерево или металл, отражающим материалом могут стать фольга или зеркало). Зеркало-концентратор можно сконструировать самостоятельно, а можно использовать старую спутниковую тарелку или даже зонтик.

Примеры печей с зеркалом-концентратором приведены на Рис.6.

Рис. 6. Примеры солнечных печей с зеркалом-концентратором

Основная сложность при изготовлении такого зеркала – соблюсти его параболическую форму. Только в зеркале такой формы солнечные лучи будут собираться в одной точке (Рис.7.) .

Рис. 7. Схема падения и отражения солнечных лучей в сферическом и параболическом зеркале

Кроме того, нужно правильно рассчитать точку фокуса, чтобы солнечные лучи приходились точно на кастрюлю. Её можно найти экспериментальным путем. Для этого концентратор нужно установить перпендикулярно солнцу, поднести кусок деревянной доски к центру и постепенно отводить от концентратора. Минимальное солнечное пятно и будет являться точкой фокуса.

При этом обязательно нужно соблюдать технику безопасности, так как в данном месте сконцентрирована высокая энергия, и дерево может воспламениться. Поэтому необходимо использовать индивидуальные средства защиты (солнечные очки или сварочную маску и кожаные или брезентовые перчатки).

Для изготовления солнечной печи с зеркалом-концентратором я решил использовать спутниковую тарелку, поскольку она сконструирована так, чтобы собирать солнечные лучи в определенной точке. Кроме того, мне понадобился рулон фольги (Рис.8).

Рис. 8. Изготовление солнечной печи с зеркалом-концентратором

На рисунке 9 представлена фотография печи, которая у меня получилась.

Рис. 9. Готовая солнечная печь с зеркалом-концентратором

Стоимость изготовления такой печи с зеркалом-концентратором составила 300 рублей (250 руб. старая спутниковая тарелка, 50 руб. фольга).

Изготовление комбинированной солнечной печи

Комбинированная солнечная печь имеет очень простую конструкцию. Она представляет собой зеркало-концентратор, состоящее из нескольких плоских отражающих поверхностей (зеркал или обклеенных фольгой картонных листов) и кастрюли, которая термоизолирована от окружающего воздуха полиэтиленовым пакетом.

Для изготовления такой печи мне понадобилась металлическая фольга и картон. На картоне я начертил развертку будущей печки (выкройка приведена в Приложении 2) и обклеил её фольгой (Рис.10).

Рис. 10. Изготовление комбинированной солнечной печи

Особенностью данной конструкции является её компактность и мобильность. Она складывается в компактный блок размером 33*33 см. Схема сворачивания печи приведена в Приложении 3.

На рисунке 11 представлена фотография печи, которая у меня получилась.

Рис. 11. Готовая комбинированная солнечная печь

Стоимость изготовления такой печки составила 50 руб. (стоимость фольги).

Кастрюля, используемая при готовке, должна быть черной, так как черный цвет лучше других поглощает солнечные лучи. Самый лучший вариант – тонкостенная алюминиевая кастрюля (она быстро нагревается и не подвержена коррозии). Поскольку в продаже нет черных алюминиевых кастрюль, я решил их закоптить (Рис.12

Рис. 12. Кастрюли, используемые для приготовления пищи в солнечных печах

Точно такая же кастрюля используется и в других моделях солнечных печей. Кастрюлю, используемую в комбинированной солнечной печи, следует поместить в термостойкий пакет для лучшей теплоизоляции.

Эксперимент

Одной из задач моего исследования стало проведение эксперимента с целью установить, в какой печи быстрее и эффективнее получится приготовить пищу.

При проведении эксперимента я решил сварить кашу при помощи всех изготовленных мной солнечных печей. Кашу я решил приготовить по следующему рецепту: 1 стакан воды, полстакана гречки, соль (Рис.13).

Рис. 13. Продукты, необходимые для проведения эксперимента

Для проведения эксперимента я выбрал солнечный день 14 августа (температура воздуха в этот день составляла 27 градусов).

Сначала я вскипятил воду: установил печки, поставил кастрюли и налил в каждую стакан воды. В печи с зеркалом-концентратором вода закипела через 5 минут. В комбинированной печи – через час, в коробочной – через 1 час 10 минут. После закипания воды я положил гречку (Рис.14).

Рис. 14. Приготовление каши в различных моделях солнечных печей

В печи с зеркалом-концентратором каша сварилась за 13 минут (т.е. через 18 минут после начала эксперимента). В комбинированной печи каша приготовилась за 50 минут после закладки крупы (т.е. через 1 час 50 минут после начала эксперимента). В коробочной солнечной печи каша сварилась за 1 час 10 минут после закладки крупы (т.е. через 2 часа 20 минут после начала эксперимента).

Можно сделать вывод, что самой быстрой является солнечная печь с зеркалом-концентратором. Однако мне пришлось поворачивать её вслед за Солнцем и соблюдать технику безопасности, так как температура нагрева в точке фокуса была очень высокой. Комбинированная и коробочная солнечные печи приготовили кашу гораздо позже, однако она получилась более вкусной и рассыпчатой. Солнечная печь с зеркалом-концентратором более громоздкая и имеет более строгие требования по технике безопасности. Зато она надежнее картонных конструкций, и еда в ней приготовляется гораздо быстрее. Её можно использовать для того, чтобы быстро вскипятить воду или разогреть еду на приусадебном участке.

Можно изготовить все три модели солнечных печей и использовать их в различных жизненных ситуациях, как это сделал я.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследования я выяснил, что использование солнечной энергии актуально во всем мире.

В теоретической части исследования я узнал, что такое солнечная энергия и рассмотрел особенности её использования в различных областях жизнедеятельности человека; познакомился с историей развития солнечной энергетики; узнал современные возможности применения гелиотермальных конструкций.

В практической части исследования я рассмотрел, что такое солнечная печь; узнал её достоинства и недостатки; выяснил, какие типы конструкций бытовых солнечных печей бывают; изготовил самостоятельно из подручных материалов три модели солнечных печей; провел сравнительный эксперимент и убедился в том, что использование солнечной печи в Омске оправданно и эффективно.

Практическая значимость моего исследования: в процессе изучения данной темы я выяснил, как можно своими руками из подручных материалов изготовить солнечную печь для приготовления пищи. На презентации я рассказал своим одноклассникам об исследовании и познакомил их с особенностями работы солнечной печки. Я снял свой эксперимент на видео и выложил в сеть Интернет. Думаю, что демонстрация простоты использования солнечных печей привлечет внимание людей и побудит их изготовить подобную печь с целью экономии невосполняемых источников энергии.

В будущем я бы хотел продолжить исследования, изучить теоретические основы преобразования солнечной энергии в тепловую, научиться рассчитывать мощность солнечных печей. Я планирую изготовить солнечную печь большего размера и использовать её для обогрева жилья на дачном участке и подогрева вода для летнего душа.

Я изготовил эту солнечную печь для школьного проекта, и вот мои результаты и информация о её строительстве поэтапно.

1. Что такое солнечная печь?

Солнечная духовка, в отличие от обычной, нагревается с помощью солнечной тепловой энергии. Солнечные духовки можно использовать для разогрева пищи, приготовления, или же пастеризации напитков. Есть несколько типов солнечных печей, например: обычные солнечные духовки, солнечные панели и параболические солнечные печи. Они были впервые изобретены в 1767 году и до сих пор используются в некоторых частях Африки, Индии и Китая. Далее я расскажу о построении такой печи своими руками, её преимуществах и недостатках.

2. Преимущества солнечной духовки

Солнечный духовой шкаф обладает видимыми преимуществами. Во-первых, они не поглощают электроэнергию. Это может сэкономить немного денег. Также солнечные печи можно использовать вне зависимости от места нахождения. Во-вторых, такие приборы не наносят ущерба окружающей среде, так как не требуют использования электроэнергии.

3. Ограничения и недостатки

Главный недостаток солнечной печи – это то, что температура нагревания будет зависеть от проектировки и количества солнечного света. Поэтому в пасмурный день её использовать не стоит – температура не достигнет необходимой отметки. Кроме того, погода влияет на её работу. В грозу или снег эффективность использования солнечной духовки будет значительно снижена. И наконец, самый неприятный факт – при неправильном построении солнечной печи, она может быстро сломаться, или хуже того, вызвать ожоги.

4. Процесс изготовления

Чтобы создать свою солнечную духовку, я предварительно прочитал инструкции в Интернете, чтобы не допустить ошибок.
Первое, что я сделал – это распылил чёрную краску для притяжения тепла внутри обычной коробки для притяжения тепла и солнечной энергии. Затем я взял ещё одну коробку, вырезал из неё четыре одинаковых квадрата и наклеил светоотражающую бумагу (можно использовать фольгу). Осталось приклеить эти панели к верху основной коробки.
Далее я установил солнечную печь с помощью металлического стола, и поместил в неё серебряную сковороду. Также опустил туда термометр, безопасный для печи. Я немного наклонил светоотражающие панели, чтобы в центре оказалась самая горячая точка.
Теперь пришла пора приготовить яичницу. Я разбил яйцо на сковороде и закрыл верхнюю часть печи, состоящую из четырёх панелей. Также следует плотно закрыть духовку пищевой плёнкой. Таким образом, тепло внутри коробки сохранится и позволит готовить пищу.

5. Материалы

• Скотч.
• Светоотражающие листы (фольга).
• Несколько картонных коробок.
• Металлический поддон или сковорода.
• Металлический стол.
• Баллончик с чёрной краской.
• Пищевая плёнка.
• Термометр.
• Яйцо.
• Ножницы.
• Канцелярский нож.

7. Фотографии процесса изобретения

8. Фотографии процесса приготовления еды

9. Подведём итоги.

В 12:15 дня я начал приготовление яичницы. Я не обратил внимания на температуру на термометре, но на улице в тот момент было примерно 15 по Цельсию, было пасмурно.
Я поставил солнечную печь на солнце и убедился, что светоотражающие панели также были направлены туда.
В 15:31 температура в печи составляла 65° по Цельсию и не поднималась выше, поэтому яйцо прожарилось не полностью.
В заключение, не могу сказать, что результат этого проекта оказался успешным. Я постараюсь немного изменить конструкцию своей печи, например, можно заменить пищевую плёнку куском обычного стекла или органического (плексиглас). Поскольку пищевая плёнка могла отходить в некоторых местах. Кроме того, для своего эксперимента я выбрал не совсем удачный день – прямых солнечных лучей не было из-за облаков.
Надеюсь, статья смогла помочь, и если вам понадобится соорудить солнечную духовку, вы воспользуетесь моими советами!