III-я Всероссийская очная ученическая конференция “Эйдос. Образование», Санкт Петербург, 24-26 марта 2016г

I II Всероссийская очная ученическая конференция

«Эйдос. Образование»

Тип работы: исследовательская работа по естествознанию

Борголов Юра, 7В класс, МОУ Усть-Ордынская СОШ №1 имени В.Б. Борсоева, п. Усть-Ордынский

Кондратьев Дима, 7В класс, МОУ Усть-Ордынская СОШ №1 имени В.Б. Борсоева, п. Усть-Ордынский

Степанов Паша, 7В класс, МОУ Усть-Ордынская СОШ №1 имени В.Б. Борсоева, п. Усть-Ордынский, e-mail:

Руководитель : Хунгуреева Людмила Григорьевна, учитель физики, МОУ Усть-Ордынская СОШ №1 имени В.Б. Борсоева, п. Усть-Ордынский, e - mail :

Web -адрес, по которому размещена работа:

Почему я выбрала эту тему:

В начале учебного года, слушая рассказ классного руководителя об отдыхе в Летнем палаточном эколого-туристическом лагере Зурбагане, мы узнали, что в лагере нет электричества. А когда наступил День Рождения одного из отдыхающих, то два дня всем народом пекли торт из хатамал (сушенные лепешки) с помощью солнечной энергии. Поэтому мы выбрали тему: можно ли быстрее испечь торт в экстремальных полевых условиях. Главная идея нашей темы – конструирование солнечной печи, исследование его возможностей. Наша печь предназначена для лагеря, не только для э кономии дров, но и для снижения нагрузки на окружающую среду, связанную с выбросами вредных продуктов сгорания.

Цель:

Исследование самостоятельно изготовленной солнечной печи

Задачи:

Изучить способы использования энергии Солнца

Построить две модели солнечных печей

Исследовать энергоэффективность данных моделей

Проблема

С
егодня, гелиоэнергетика набирает быстрые темпы. Солнце - общедоступный и практически неисчерпаемый источник энергии. В поисках материалов об использовании энергии солнца, мы узнали, что энергия, ежедневно поступающая с солнечными лучами, составляет более 18 трлн.кВт. Этого достаточно для всего человечества, но пока что нет эффективных технологий добычи этой энергии.

Методы

теоретический анализ и синтез;

конкретизация и аналогия

моделирование, классификация

обобщение, наблюдение

эксперимент

Объект исследования

Энергия Солнца, энергосбережение электрической энергии

Предмет исследования

Самостоятельно изготовленные солнечные печи двух типов.

План работы:

Собрали информацию по данному вопросу;

Изучили объекты исследования;

Выпустили буклет;

Провели презентацию буклета.

Провели исследования

Сделали вывод

Результаты исследования

Все гениальное просто: 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 конфорка электропечи. И грех пропадать без дела такому количеству энергии. Мы рассмотрели виды солнечных печей, изучили конструкцию каждого из них.

Существуют в настоящее время три типа конструкции солнечных печей:

Панельные к омбинированные

Буклет

Вырезаем по схеме из любой коробки подходящего размера. Обклеиваем полученную конструкцию фольгой. Банка или кастрюлька должна быть чёрного цвета. Кастрюльку запихиваем в прозрачный целлофановый пакет, который герметично завязываем. Он будет сохранять тепло в кастрюле. Такая печь очень легка и может спокойно носиться с собой.

Несомненным плюсом этой печи является его компактность.

Коробочные

буклет

Представляют собой теплоизолированную коробку, чаще всего из обычного картона металла или дерева, верх которой покрыт прозрачным стеклом. К такой коробке для увеличения сбора тепла часто добавляют один или несколько зеркал-отражателей. Такие нагреватели используются в основном для относительно медленного приготовления больших объёмов пищи.

с зеркалом концентратом

буклет

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.

Из таблицы видно, что печи с зеркалом концентратом очень трудоёмкие. Поэтому мы решили смастерить панельную комбинированную и коробочную.

Комбинированная печь нам далась легко: по схеме из картона вырезали печь подходящего размера. Обклеили полученную конструкцию фольгой.

Для того чтобы смастерить коробочную печь своими руками нам понадобилось:

Лист фанеры толщиной 3мм.

Лист кровельного или оцинкованного железа толщиной 0,5мм

Брус 4х4

Доски толщиной 2см, суммарной длиной 4м.

Штапик фиксации стекла

Зеркало

Краска чёрного цвета

Два стекла 50х50 см

Ручки

Процесс изготовления печи

С помощью пап мы вырезали четыре стойки из бруса (2 задние равны 52,6см и 2 передние – 26,7см), на которых будет держаться печь с помощью шурупов или гвоздей. Из фанеры (1,5х1,5 м) вырезаем несущие стенки каркаса, нижняя часть (60,5х67,5см) и собрали вот такой каркас:

Следующий этап – изготовление рамы из 4 досок шириной 6 см и длиной 54,9 см, которые склеиваем между собой, а также внутри рамки крепим рейку. В дальнейшем туда вставляем два стекла для термоизоляции печи.

Саму раму фиксируем на несущей раме, которая прикреплена на стойках.

П
осле того как, несущая рама закреплена, изготавливаем специальный короб по периметру, в которой будет находиться основная рама. Основная рама будет подвижной.

Затем ножницами по металлу вырезаем металлическую часть, где будет происходить нагрев. По бокам делаем надрезы, производим загиб, и лист вставляем внутрь будущей печки и закрепляем.

Вставка листа солнечной печи. Вырезаем стекло, которое крепиться к раме с помощью герметика. С помощью бруска, на котором будет крепиться петля, устанавливаем крышку, на которой будут зафиксированы зеркала с помощью клея. Затем крепим ручки.

После первой части исследования для эффективности металлическую часть покрасили в чёрный цвет.

На элективном курсе мы узнали, что принцип работы солнечной печи, как и солнечного коллектора основан на парниковом эффекте. Солнечные лучи проникают сквозь стекло, и нагревают чёрную поверхность внутренней части печи, таким образом происходит нагрев. Поскольку внутренняя часть герметична а стекло препятствует выходу тепла, то температура внутри печи повышается до тех пор пока излучение и приток энергии уравновешивают друг друга. Таким образом, температура в печи может достигать 120-150 градусов. Этого достаточно чтобы приготовить кашу, испечь торт, сварить яиц, сосиски. Но зимой и весной мы солнечную печь хотим использовать в роли водонагревателя.

2. Перед каждым участником проекта была поставлена индивидуальная цель, а именно: исследовать зависимость температуры в моделях по таянию льда в разных экспериментальных посудах. В течение месяца измеряли температуру в моделях солнечной печи. Наблюдали и фиксировали время таяния льда в экспериментальных посудах.

3. Провели среднеарифметические расчёты и оформили полученные результаты в виде таблицы и диаграммы. И на основе полученных результатов, предложили мероприятия направленные на эффективное использование солнечной тепловой энергии.

Цель исследования - где и в какой посуде можно быстрее вскипятить воду или испечь торт. Для этого мы кубики льда из холодильника положили в экспериментальные посуды и зафиксировали температуру, время их таяния:

Экспериментальная посуда

Время t , мин

на солнце

солнечная печь из картона

солнечная коробочная печь

Железная

4.32

5.40

3.10

Стеклянная

22.20

15.02

7.12

Керамическая

10.48

14.31

14.12

Деревянная

23.20

23.20

23.45

Температура, ° С

33

30

38

Вывод : энергоэффективной конструкцией является солнечная коробочная печь, так как из таблицы видно, что в ней температура выше. Быстрее растаял лёд в металлической посуде. Потому что металл хороший проводник тепла.

Продолжаем исследования в коробочной печи с покрашенным в чёрный цвет металлическим коробом и накрытым пластиком:

Деревянная печь

с металлическим коробом и накрытая пластиком

Деревянная печь с покрашенным в чёрный цвет металлическим коробом

Деревянная печь с покрашенным в чёрный цвет металлическим коробом и накрытая пластиком

Железная

2.56

2.55

2.49

2.45

Стеклянная

3.16

3.16

3.12

3.11

Керамическая

4.12

4.10

4.17

4.15

Деревянная

6.23

7.00

7.00

6.56

Вывод : в коробочной деревянной печи с покрашенным в чёрный цвет металлическим коробом и накрытым пластиком температура выше. Быстрее растаял лёд в металлической посуде.

Солнечные печи несомненно дают экономию электрической энергии, а это значит, экономию бюджета семьи. Однако, мы думаем, чтобы успешно работать над проблемой энергосбережения, необходима не только материально-техническая база, интеллектуальные ресурсы, но и желание этим заниматься. А для этого необходимо информировать население, в частности, наших родителей, соседей, одноклассников о состоянии энергоресурсов у нас в посёлке, области, стране. Для этой цели мы выпустили агитационный буклет о солнечных печах.

Природа даёт нам неприхотливый способ добычи бесплатной солнечной энергии. Ведь все гениальное просто. Увы, мы им почти не пользуемся. Остаётся только надеяться, что в дальнейшем использование энергии солнца все-таки начнётся повсюду.

Ресурсы:

Перышкин А.В., физика 7 кл.:- М.: Дрофа, 2015 г.

Лукашик В.И., Иванова Е.В., сборник задач по физике для 7-9 кл, М.: «Просвещение», 2003

Главные выводы работы, ее назначение и применение.

Около 35% всей электроэнергии в мире используется для бытовых домашних нужд. Но нужно ли нам так много энергии? Возможно, ли использовать её более рационально? Мы призадумались, сколько энергии действительно нужно человеку для жизнеобеспечения, а сколько тратится впустую. Ведь за наш комфорт приходится платить гибелью лесов, затоплением городов! Использование энергии солнца имеет ряд неоценимых преимуществ:

1. Неограниченный процесс использования во времени.

В отличие от нефти, природного газа и угля, запасы, которых будут исчерпаны в

ближайшие десятилетия или столетия, солнце будет светить ещё миллиарды лет. 2.Возобновляемость. 3.Глобальная доступность.

Солнце светит на всем земном шаре

4..Солнечные печи обеспечивают экономию денежных средств.

5.Экологичность.

Экономия дров, газа и других энергоносителей позволят существенно снизить нагрузку на окружающую среду, связанную с выбросами вредных продуктов сгорания. Их экологическая чистота не вызывает сомнений.

Все эти достоинства должны стать причиной бурного роста солнечной энергетики во всем мире.

Рефлексия.

В ходе выполнения проекта мы посетили музей в г. Иркутске «Байкальская Экологическая Волна», центр народных художественных промыслов, искали материал в библиотеке, на сайтах в интернете. Было очень интересно узнавать все новое и новое по физике, искать ответы на свои вопросы, беседовать с увлекающимися людьми. И не было концам восторга, когда смастерили своими руками печи. А эксперименты с печами…Сначала мы не верили результатам, а когда смогли объяснить с точки зрения физики, то почувствовали успех. Мы думаем, что у нас очень хорошо получилось всё. Проблемы и трудности возникали, как без них, но они были преодолены.

Самооценка :

Мы начали работу над своим проектом в международный год света и световых технологий. Цели, которые мы поставили перед собой, постарались выполнить. С нетерпением ждём лета. Хотим провести серьёзные исследования с нашими моделями. И очень надеемся, что наши исследования принесут пользу не только нам, но всем кто заинтересовался нашей работой в ходе исследования, но и всем кто заинтересуется, познакомившись с нашим проектом. И темой нашего следующего проекта будет «Использование солнечных батарей».

Солнечная печь выполняется по разным технологиям, поэтому устройство её отличается друг от друга. Произведенные в промышленном варианте такие изделия отличаются высокой ценой. Много моделей можно сделать самому, приложив к этому минимум средств и максимум усилий. Прежде чем начать анализ самодельных моделей, рассмотрим одну промышленную печь для общего развития – GoSun.

В основе данного решения используется две технологии: вакуумная трубка принимает на себя концентрированную энергию из зеркальной подставки – концентратора. Таким образом температура внутри трубки достигает за несколько минут до 280°С, что дает варить, парить, жарить любые блюда. Существует ряд сайтов с рецептами адаптированными для такой печи. Этот метод приготовления ничем не уступает привычным существующим, лишь добавляет экологичности процессу.

Эксплуатация и виды

Эксплуатировать подобного рода устройства лучше летом в открытой незатенённой местности. На всех видах концентраторов такой энергии используется светоотражающие поверхности, поэтому следует беречь глаза от лучей, путём одевания солнцезащитных очков при работе с печью.

Первый вид из спутниковой антенны

Печь на основе старой спутниковой антенны. Чтобы котелок не загораживал солнце, следует выбирать офсетный тип антенны, принцип работы показан на рисунке ниже.

Зеркало антенны следует обклеить светоотражающей пленкой. На месте, где стоял спутниковый конвертер, следует оборудовать варочное место, куда устанавливается или подвешивается посуда для приготовления или разогрева пищи. Для обеспечения максимальной температуры следует, каждые пол часа, двигать антенну, тем самым сохраняя максимальный тепловой фокус на объекте подогрева. Второй вид – из линзы Френеля. С помощью нее получают дистиллированную или пресную воду. Применяют в тех районах, где есть недостаток пресной воды или на морском побережье. В эпицентре луча температура может достигать 1000°С, что является опасностью для получения термических ожогов. Поэтому пользоваться нужно с особой осторожностью.

Основа конструкции – линза Френеля. Раньше применяли при производстве телевизоров, можно достать её оттуда или просто приобрести. Именно в линзе будет состоять цена вопроса изготовления печи. Изготовление состоит в сооружение рамы под имеющуюся линзу как показано ниже на иллюстрации.

Третий вид из картона. Аналогичен первому рассмотренному, только антенна изготовляется из картона. Вырезается основа, сворачивается в параболическую тарелку. На внутреннюю чашку наклеивается отражающий слой алюминиевой фольги.

В качестве примера рассмотрим отражатель с фокусным расстоянием 130 мм и диаметром 800 мм. Размер при необходимости масштабируется. Потребуется лист размером: метр на метр. Он может быть цельным или составным из двух или четырёх кусков. Рисуем четыре концентрических окружности с радиусами, показанными в таблице. Делим их на 8 равномерно расположенных диаметров (на 22,5°). Каждый состоит из 16 одинаковых секторов.

На каждом симметрично отмечается дуга, длина которой показана ниже в таблице. Эти значения – полная длинна дуги, включая обе стороны деления. Каждая дуга проходит на очень малом угле (меньше 5°) она практически неотличима от соответствующего шнура.

Следует соединить, приблизительно вдоль радиального направления, конечные точки только что обозначенных дуг. Требуется отрезать площадь за пределами самой большой окружности. Клины, обозначенные соединениями на рисунке ниже, не будут собирать лучи. Они будут либо удалены, либо использованы в качестве полей для соединения соседних весел. Разрезать радиальные соединения спешить не надо, инструкция будет дана позже.

Вёсла согнуты над кругами, нарисованными ранее, для создания граней. Кружки показаны пунктирными линиями на рисунке выше. Сделать изгиб по дуге непросто, если листовой материал не очень тонкий и эластичный.

Сборка

Лист состоит из частей, соединённых по кругу. Лучший способ – дублировать его на одной части. Нужно прикрепить каждую часть рефлектора поверх дубликата.

После изгиба лопасти перекрываются так, чтобы одна находилась выше или ниже обоих соседей. Важно, чтобы весло имело два поля, по одному с каждой стороны. Лопатки с полями и без них чередуются по окружности: рисунок ниже. Вёсла с полями будут ниже весла без полей.

Так как лопасти являются плоскими, происходит переход между ними и перекрывающимися областями. Чтобы избежать помех в переходной зоне, предусмотрите некоторый зазор между смежными лопастями. Дополнительную ширину можно срезать лопастями с полями или без них, смотрите рисунок выше.

Отверстие диаметром около 5 мм просверлите на кончике каждого клина. Эти отверстия слишком малы, чтобы они были показаны на рисунке выше. Они облегчат резку.

Вёсла соединяйте вместе разными средствами: скобами, гвоздями, клеем, шитьем или иначе. Оптимальное решение зависит от листового материала и доступности по цене крепежа.

В редком случае, когда плоский лист очень толстый, лопасти могут упираться друг в друга. В этом случае нет никаких гарантий. Нужно предусмотреть некоторый зазор для клея. В дополнение: нанесённые в зазор клейкие ленты также можно наносить на внутреннюю и внешнюю поверхности, чтобы удерживать лопасти вместе. Ленты, нанесённые на поверхность нужны очень тонкие, чтобы не искажать отражающую поверхность.

Энергия солнечного света. Следует прикреплять одну лопасть за раз, по или против часовой стрелки. Сначала присоединив каждую лопасть из внешней секции. Аналогично продолжая движение внутрь. Перед началом работы над другим веслом требуется прикрепить все секции весла.

Отражательная плёнка применяется после того, как параболический отражатель примет форму. Алюминиевая фольга для обычного использования идеальна на кухне. Более толстая (более тяжелая) пленка будет более долговечной. Алюминиевая пластиковая пленка, используемая в пакетах для продуктов питания и напитков, или подарочная упаковка, приемлема, но немного менее эффективна и заметно менее прочная, чем алюминиевая фольга.

Обычно фольга приклеивается к отражателю. Клей нужно использовать на водной основе. Сюда относится клей из муки, риса или крахмала. Чтобы избежать появления морщин на пленке, пользуйтесь тонким, нетекучим клеем.

Легче склеивать фольгу на плоском листе, чем на параболическом блюде. Однако, если лист очень тонкий, процесс изгиба листа будет создавать морщины на покрытии. Поэтому лучше всего приклеивать ее после изготовления картонной тарелки. Листовой материал, который расширяется и значительно сокращается при влажности и температуре, также имеет тенденцию создавать морщины на пленке. Поэтому картон не является идеальным листовым материалом. Морщины снижают эффективность. Они также сокращают срок службы отражающего покрытия.

Сначала фольгу нужно нарезать на трапеции. Два одинаковых трапеции могут быть вырезаны из прямоугольника с очень небольшим количеством отходов (рисунок ниже). Сначала попробуйте использовать газету для определения оптимальной ширины, длины и наклона, так как это зависит от формы и размера вашей фольги. Короткие слоты могут быть разрезаны по краям трапеции, так что она может накладываться без морщин. Трапеции полностью покрывают все грани, за исключением того, что круг будет покрыт фольгой в конце.

На рисунках показано: а) вырезание двух трапециевидных частей из прямоугольной; б) сокращение коротких слотов вдоль краёв каждого клина

Тщательно покрываем поверхность весла клеем. Однако не стоит им злоупотреблять, если листовой материал (например, картон) может набухать во влажном состоянии. Для того, чтобы избежать появления пузырьков, сначала нужно прицепить небольшую часть фольги на весло. Держите большую часть пленки в воздухе, без клея. Медленно растягивая захваченную область, нажимаем на нее. Фольгу прикрепляется около ее центральной линии (вдоль ее длины). Будет очевидно, насколько она изгибается и перекрывается вблизи ее краев. Норма, если избыточный клей будет выходить на отражающую поверхность, он сотрется позже.

Когда отражающая поверхность покрыта отражателем, аккуратно следует протереть ее влажной чистой тканью. Вытирание удаляет излишки клея, выравнивает приклеенную пленку. Нужно дать клею высохнуть, это может занять несколько дней, если листовой материал проницаем для воды. Затем повторно требуется протереть влажной чистой тканью, чтобы удалить оставшийся клей и размазать.

Готовое изделие устанавливаем на поворотную опору, над фокусом солнечной энергии изготавливаем конструкцию держатель для варочной посуды.

Жизнь современного человека сложно представить без использования энергии. Традиционно энергетическими источниками являются нефть, газ, уголь. Однако в природе запасы органического топлива ограничены, и не далёк тот день, когда они иссякнут. Дабы избежать энергетического кризиса учёные умы всего мира активно разрабатывают технологии на основе альтернативных, возобновляемых источников энергии, таких как солнечное тепло, сила ветра и движения воды в реках, морях и океанах, приливная энергия морских волн. Во многих странах мира постепенно увеличивается использование различных установок, превращающих солнечную энергию в тепловую.

Альтернативная энергия солнца

Вопрос экономичного или дома, подача горячей воды и многие другие аспекты жизнеобеспечения чаще встают перед владельцами недвижимости, удалённой от черты города, лишёнными возможности пользоваться благами цивилизации. Традиционное предполагает запас топлива, а это и средства, и немалая территория. Если используется для отопления газ или солярка, требуются специальные ёмкости и безопасное место для хранения, а также специальная система подачи. Уголь и дрова нужно складировать в большом сарае.

В таких ситуациях с каждым годом всё чаще домовладельцы обращаются к использованию неисчерпаемой солнечной энергии. Специальные установки, собирающие и превращающие световые лучи в тепло, вполне приемлемы и для российских пасмурных зим. Даже в относительно хмурый день солнечная печь справляется с отоплением загородного дома. К тому же, использование энергии солнца абсолютно бесшумно и не даёт токсичных выбросов в атмосферу.

Виды солнечных обогревателей

Постоянно развивающиеся технологии позволяют использовать различные модели коллекторов, аккумулирующих энергию солнца даже при минусовых температурах и в пасмурную погоду. Доступность информации позволяет самостоятельно выбрать соответствующую модель или смастерить солнечную печь своими руками. Сегодня солнечные коллекторы представлены тремя основными видами:

1. Плоскими.
2. Вакуумными.
3. Воздушными.

Ознакомившись с принципами их работы, особенностями монтажа и эффективностью, несложно подобрать подходящую модель солнечной печи для отопления дома.

Плоские коллекторы

Самые распространённые и экономичные плоские панели состоят из алюминиевой рамы, покрытой специальным тёмным стеклом, защищающим конструкцию от осадков и возможных повреждений. Внутри для циркуляции теплоносителя монтируются медные трубки. А свободное пространство панели заполняется принимающим и удерживающим тепло материалом. Чтобы солнечная энергия не растрачивалась на панель снабжена теплоизоляцией. На сегодня эти модели считаются самыми эффективными для российского климата.

Вакуумные обогреватели

Работают по типу термоса и состоят из двухслойной системы трубок, заполненной вакуумом. Внутренние трубки из тёмного стекла заполняются теплоносителем. Покрытые силиконовым слоем, они поглощают инфракрасное излучение и тепло солнечных лучей, а вакуум является абсолютным, сохраняющим 95% полученной энергии, теплоизолятором. Даже при очень низких температурах такой тип солнечной печи весьма эффективен.

Воздушные модели

Реже используются воздушные коллекторы, которые нагревают поступающий во внутреннее пространство дома воздух. Принцип работы такого устройства основан на эффекте парника, то есть через проводящее свет покрытие инфракрасные лучи аккумулируются в теплоприёмнике, передающем полученную солнечную энергию порции поступающего в дом воздуха. Они легко монтируются, экономичны, но мало эффективны, так хуже жидкостей.

Эффективность подобного оборудования зависит от интенсивности солнечного света, размера используемой конструкции и правильного монтажа. Например, плоские и вакуумные коллекторы монтируются только на скатных кровлях. Панель большой солнечной печи площадью 20 м 2 обеспечивает постоянный качественный обогрев одноэтажного загородного дома.

Принцип работы солнечного обогревателя

Автономная отопительная система, функционирующая за счёт переработки солнечной энергии, включает в свою конструкцию три основные составные части:

1. Коллектор, преобразующий прямые солнечные лучи в энергию, нагревающую теплоноситель (воду или антифриз).
2. Трубопроводную систему (контур теплообмена) для циркуляции теплоносителя, проходящую через аккумулятор.
3. Накопитель тепла. Как правило в качестве используется ёмкость с прогревающейся впрок водой.

Механизм работы солнечной печки прост: в трубках коллектора теплоноситель нагревается и по контуру теплообмена проходит через накопитель. Нагретая в баке вода подаётся в радиаторы отопительной системы дома, теплообменный контур тёплого пола или используется в горячем водоснабжении, например, для душа или мытья посуды.

Установка солнечной печи своими руками

Сегодня лидером в производстве и использовании систем на альтернативных источниках питания является Китай. На эту страну приходится 78% мирового объёма вводимых в эксплуатацию гелиосистем. На современном рынке китайские производители предлагают солнечные коллекторы хорошего качества и по экономичным ценам. Так как солнечное отопление рассчитано на 25-30 лет эксплуатации, теплообменные панели рекомендуется приобрести у проверенных производителей, а монтаж системы можно произвести самостоятельно.

Солнечные радиаторы располагаются на поверхности крыши или углубляются в кровельную конструкцию лицевой стороной на южную сторону. Площадь панелей колеблется от 2 до 8 м 2 и в одной отопительной системе может быть несколько соединённых между собой трубками элементов. От солнечного коллектора к радиаторам отопительной системы дома и к тепловому аккумулятору через кровельную поверхность проводятся трубки. Все стыки должны быть загерметизированы. Система заполняется теплоносителем и запускается в работу. Идеальным углом наклона для установки солнечной печки считается 35 о, хотя многие производители рекомендуют 15-20 о. Перед самостоятельной установкой желательно проконсультироваться у представителя компании. Опасаясь разбить или некачественно смонтировать дорогостоящее оборудование из-за малого опыта в подобных работах, установку солнечного коллектора лучше доверить профессионалам.

Как сделать солнечную печь

Сконструировать элементарный солнечный коллектор можно за весьма короткий срок и с минимальными затратами. Как? Сделать солнечную печь своими руками просто: закрепляются на южном скате крыши блестящие оцинкованные листы железа и установливается на них бочка объёмом 150-200 литров. Подведённая к ней вода может прогреваться до 60 о C. Недостаток такой конструкции в том, что в морозы ёмкость будет промерзать, а вода оставаться холодной. А также в пасмурный день бочка не прогреется до желаемой температуры.

Ещё одной популярной самоделкой является солнечная печь из змеевика холодильника. Из реек изготавливается каркас с основанием из резинового коврика, покрытого фольгой. Промытый от остатков фреона змеевик хомутами и болтами крепится внутри рамы. Через заранее просверленные отверстия он соединяется трубами с накопительной ёмкостью, имеющей выходное отверстие для подачи нагретой воды. Рама плотно закрывается стеклом, вода в змеевик подаётся самотёком.

Такие простые конструкции обычно используются дачниками для получения небольшого количества горячей воды.

Рациональность использования энергии солнца

Расчёты, проведённые учёными Российской Академии Наук, показывают, что в средней полосе России на 1 м 2 солнце излучает от 100 до 250 Вт энергии и до 1000 Вт в полдень ясного дня. Эти расчёты доказывают, что солнечный коллектор площадью 2 м 2 ежедневно может прогревать 100 л воды до температуры 45-55 о C, но не ниже 37 о C.

Безопасная, полностью автоматизированная и экологичная отопительная система загородного дома не требует дополнительных затрат ни на источник энергии, ни на ремонт, ни на обслуживание на протяжении нескольких десятков лет. Всё, что требуется от пользователя, - периодически очищать поверхность коллекторов от пыли, грязи и снега.

Экология потребления.Наука и техника:Успешное использование солнечных печей (плит) отмечалось в Европе и Индии уже в 18-м веке. Солнечные плиты и духовые шкафы поглощают солнечную энергию, превращая ее в тепло, которое накапливается внутри замкнутого пространства.

Успешное использование солнечных печей (плит) отмечалось в Европе и Индии уже в 18-м веке. Солнечные плиты и духовые шкафы поглощают солнечную энергию, превращая ее в тепло, которое накапливается внутри замкнутого пространства. Поглощенное тепло используется для варки, жарки и выпечки. Температура в солнечной печи может достигать 200 градусов Цельсия.

Ящичные солнечные печи

Ящичные солнечные печи состоят из хорошо изолированной коробки, окрашенной внутри в черный цвет, в которую помещают черные кастрюли с едой. Коробка накрывается двухслойным "окном", которое пропускает солнечное излучение в ящик и удерживает тепло внутри. Вдобавок к нему крепится крышка с зеркалом на внутренней стороне, которая, будучи откинутой, усиливает падающее излучение, а в закрытом виде улучшает теплоизоляцию печи.

Основные преимущества ящичных солнечных печей:

• Используют как прямое, так и рассеянное солнечное излучение.
• В них можно нагревать одновременно несколько кастрюль.
• Они легки, портативны и просты в обращении.
• Им не нужно поворачиваться вслед за Солнцем.
• Умеренные температуры делают помешивание не обязательным.
• Еда остается теплой целый день.
• Их легко изготовить и отремонтировать, используя местные материалы.
• Они относительно недороги (по сравнению с другими типами солнечных печей).

Присущи им, конечно, и некоторые недостатки:

• С их помощью можно готовить только в дневное время.
• Из-за умеренной температуры на приготовление пищи требуется продолжительное время.
• Стеклянная крышка приводит к значительным потерям тепла.
• Такие печи "не умеют" жарить.

Благодаря своим преимуществам, солнечные печи-ящики являются наиболее распространенным видом солнечных печей. Они бывают разных видов: промышленного производства, кустарные 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). Для семьи из пяти человек рекомендуются стандартные модели с площадью апертуры (входной площади) около 0,25 м2. В продаже встречаются и более крупные варианты печей -- 1 м2 и более.

Так как тепло, поглощенное внутренней поверхностью коробки, должно передаваться кастрюлям, лучший материал для коробки - алюминий, обладающий высокой теплопроводностью. К тому же, алюминий не подвержен коррозии. Например, стальной ящик, даже с гальваническим покрытием, не может долго противостоять горячей и влажной среде внутри печи в процессе приготовления пищи. Листовая же медь слишком дорога.

Снаружи коробки нельзя прикреплять металлические детали, которые могут создать тепловые мостики. Теплоизоляционным материалом может служить стекло, синтетическая вата или какой-нибудь природный материал (шелуха арахиса, кокосовых орехов, риса, кукурузы и т. д.). Какой бы материал ни использовался, он должен оставаться сухим.

Крышка печи может состоять из одного или двух стекол с воздушной прослойкой. Расстояние между двумя слоями стекла обычно составляет 10-20 мм. Исследования показали, что использование прозрачного материала с ячеистой структурой, который делит внутреннее пространство на маленькие вертикальные ячейки, может существенно уменьшить теплопотери печи, таким образом увеличивая ее эффективность. Внутреннее стекло подвергается термическому воздействию, поэтому часто используется закаленное стекло; или же оба слоя могут состоять из обычного стекла толщиной около 3 мм.

Внешняя крышка солнечной печи является отражателем, который усиливает падающее излучение. Отражающей поверхностью может служить обычное стеклянное зеркало, пластмассовый лист с отражающим покрытием или небьющееся металлическое зеркало. В крайнем случае, можно использовать фольгу от сигаретных пачек.

Внешняя коробка солнечной печи может быть изготовлена из дерева, стеклопластика или металла. Стеклопластик легок, недорог и водостоек, но не очень долговечен в условиях непрерывного использования. Древесина прочнее, но тяжелее и более подвержена порче из-за влажности. Алюминиевые листы в сочетании с деревянными креплениями образуют наиболее качественную поверхность, устойчивую к механическим воздействиям, перепадам температуры и влажности. Армированная алюминием деревянная коробка наиболее прочная, но она стоит дороже и достаточно тяжелая, к тому же ее изготовление требует времени.

Производительность стандартной солнечной печи с площадью апертуры 0.25 м2 достигает около 4 кг пищи в день, т.е. достаточна для семьи из пяти человек.

Пиковая температура внутри солнечной печи может достигать более 150 оC в солнечный день в тропиках; это примерно на 120 оC выше температуры окружающего воздуха. Так как вода, содержащаяся в продуктах питания, не нагревается выше 100 оC, то температура внутри наполненной печи всегда будет соответственно ниже.

Температура в солнечной печи резко понижается, когда в нее помещают посуду с пищей. Важно и то, что температура остается значительно ниже 100 оC большую часть времени приготовления. Но температура кипения 100 оC не нужна для приготовления большинства овощей и каш.

Среднее время приготовления пищи в солнечной печи составляет 1-3 часа в хороших солнечных условиях и умеренной загрузки. Использование тонкостенных алюминиевых кастрюль значительно сокращает время приготовления по сравнению с посудой из нержавеющей стали. Кроме того, влияют и такие факторы:

• Время приготовления сокращается в условиях большой освещенности, и наоборот.
• Высокая температура окружающего воздуха сокращает время приготовления, и наоборот.
• Небольшой объем пищи за одно приготовление снижает время готовки - и наоборот.

Зеркальные печи (с отражтелем)

Простейшая зеркальная печь представляет собой параболический рефлектор и подставку для кастрюли, расположенную в фокусе печи. Если печь выставлена на Солнце, то солнечный свет отражается от всех рефлекторов в центральную точку (фокус), нагревая кастрюлю. Рефлектор может представлять собой параболоид, изготовленный, например, из листовой стали или отражающей фольги. Отражающая поверхность обычно изготовлена из полированного алюминия, зеркального металла или пластика, но может состоять также из множества маленьких плоских зеркал, прикрепленных к внутренней поверхности параболоида. В зависимости от нужного фокусного расстояния, рефлектор может иметь форму глубокой миски, в которую полностью погружается кастрюля с едой (короткое фокусное расстояние, посуда защищена от ветра) или мелкой тарелки, если кастрюля устанавливается в фокусной точке на определенном расстоянии от рефлектора.

Все печи-отражатели используют только прямое солнечное излучение, и поэтому должны постоянно поворачиваться за Солнцем. Это усложняет их эксплуатацию, так как ставит пользователя в зависимость от погоды и регулирующего устройства.

Преимущества зеркальных печей:

• Способность достигать высоких температур и, соответственно, быстрое приготовление пищи.
• Относительно недорогие модели.
• Некоторые из них могут служить также для выпечки.

Перечисленным достоинствам сопутствуют и некоторые недостатки:

• В зависимости от фокусного расстояния, печь должна поворачиваться за Солнцем примерно каждые 15 минут.
• Используется только прямое излучение, а рассеянный солнечный свет теряется.
• Даже при небольшой облачности возможны большие потери тепла.
• Обращение с такой печью требует определенного навыка и понимания принципов ее действия.
• Отраженное рефлектором излучение очень ярко, слепит глаза, и может привести к получению ожога при контакте с фокальным пятном.
• Приготовление пищи ограничивается дневными часами.
• Повару приходится работать на жарком солнце (за исключением печей с фиксированной фокусировкой).
• Эффективность печи в большой степени зависит от изменяющейся силы и направления ветра.
• Блюдо, приготовленное днем, к вечеру остывает.

Сложность обращения с этими печами в сочетании с тем фактом, что повар вынужден стоять на Солнце, является главной причиной их невысокой популярности. Но в Китае, где приготовление еды традиционно требует высокой температуры и мощности, они широко распространены.

Тепловая мощность

Тепловая мощность солнечной печи определяется количеством солнечной радиации, рабочей поглощающей поверхностью печи (обычно между 0,25 м2 и 2 м2) и ее термическим КПД (обычно 20-50%). В таблице сравниваются типичные значения площади, эффективности и мощности для ящичной печи и печи-отражателя.

Стандартные значения площади, эффективности и производительности ящичной печи и печи-отражателя

Как правило, печи-рефлекторы имеют гораздо большую рабочую поверхность, чем ящичные. Следовательно, они намного мощнее, на них можно кипятить больше воды, готовить больше еды, или обрабатывать сопоставимые количества за меньший промежуток времени. С другой стороны, их тепловая эффективность ниже, потому что посуда остывает под воздействием атмосферы.

В тропических и субтропических странах можно рассчитывать на ясную погоду и нормальную ежедневную освещенность почти круглый год. Около полудня, когда суммарная солнечная освещенность достигает 1000 Вт/м2, вполне реально рассчитывать на тепловую мощность в 50-350 Вт, в зависимости от типа и размера плиты. Количество излучения утром и в дневные часы, естественно, ниже и не может полностью компенсироваться системой слежения за Солнцем.

Для сравнения: сжигание 1 кг сухой древесины производит приблизительно 5000 Вт, помноженные на термический КПД плиты (15 % для примитивного очага и 25-30 % для улучшенной кухонной плиты, используемой в развивающихся странах). Тепловая мощность, фактически достигающая посуды, составляет, таким образом, 750-1500 Вт.

Количество солнечной радиации резко снижается при облачности и в сезон дождей. В условиях нехватки прямого излучения солнечная печь непригодна ни для чего, кроме хранения готовой еды в теплом виде. Слабым местом солнечных печей (независимо от их типа) является то, что в облачные и дождливые дни (2-4 месяца в год для большинства развивающихся стран) пищу приходится готовить при помощи обычных средств: на дровах, газовой или керосиновой горелке.

Солнечное излучение и печи

Главной предпосылкой успешного использования солнечной печи является адекватная освещенность с небольшим числом облачных дней в течение года. Продолжительность и интенсивность солнечного излучения должны позволять использование солнечной печи в течение длительных периодов. В то время как в Центральной Европе приготовление пищи с использованием солнечной энергии возможно в солнечный летний день, для солнечной печи желательно минимальное количество солнечной энергии 1500 кВт·ч/м2 в год (что соответствует средней ежедневной инсоляции 4 кВт·ч/м2). Но среднегодовые показатели могут иногда вводить в заблуждение. Существенное условие для пригодности солнечной печи - это стабильная летняя погода, то есть регулярные, предсказуемые периоды безоблачных дней.

Ресурсы солнечной энергии в разных странах существенно отличаются даже в пределах тропического пояса в странах третьего мира. К примеру, солнечное излучение в большинстве регионов Индии считается очень хорошим с точки зрения использования солнечной энергии. Среднее количество солнечной энергии составляет от 5 до 7 кВт·ч/м2 в день в зависимости от региона. На большей части территории страны освещенность достигает минимума в течение сезона дождей и почти так же мала в течение декабря и января.

Климат и солнечный потенциал Кении благоприятны для использования солнечных печей. Кения расположена близко к экватору и поэтому имеет тропический климат. В столице страны Найроби количество солнечной энергии составляет от 3,5 кВт·ч/м2 в день в июле до 6,5 кВт·ч/м2 в день в феврале, а в других областях остается практически неизменной (6,0 - 6,5 кВт·ч/м2 в день в провинции Лодвар). Солнечная радиация в Найроби позволяет готовить пищу с помощью солнечной энергии девять месяцев в году (кроме июня-августа). С другой стороны, в облачные или туманные дни приходится полагаться на традиционные виды топлива. Однако, в провинции Лодвар солнечными печами можно пользоваться круглый год.

Солнечные печи для развивающихся стран

Цель использования солнечных печей, несомненно, заключается в экономии энергии в условиях двойного энергетического кризиса: кризис бедных слоев населения, заключающийся в возрастающей нехватке дров, и кризис национальной энергетики - возрастающее давление на ее платежный баланс.

По сравнению с другими странами, развивающиеся страны потребляют очень мало энергии. К примеру, норма потребления энергии на душу населения в Индии в 1982 году - 7325 ГДж - была одной из наименьших в мире. Но уровень потребления энергии этой страны растет почти в два раза быстрее, чем ее валовой национальный продукт. То же самое происходит и в других развивающихся странах.

Большинство жителей развивающихся стран получает основную часть потребляемой ими энергии из некоммерческих источников: из традиционных местных ресурсов энергии, за счет своего физического труда. Они просто не могут позволить себе купить нужное количество коммерчески производимой энергии.

Логическое следствие этого - относительная нехватка топлива для бедных слоев населения, чей уровень жизни в результате еще далее ухудшается. Солнечные печи - это шаг на пути к улучшению условий их жизни.

Из всего "бедного большинства" жителей стран третьего мира, солнечные печи должны в первую очередь использоваться сельским населением.

Сколько нужно энергии для приготовления пищи

Ежедневная потребность в топливе зависит от того, какая пища готовится и от ее количества. Житель развивающейся страны сжигает, в среднем, 1 тонну дров в год. Типичной индийской семье нужны 3-7 кг дров в день; в более прохладных регионах ежедневное количество дров для одной семьи составляет почти 20 кг зимой и 14 кг летом. На юге Мали среднестатистическая семья (состоящая из 15 человек) сжигает около 15 кг дров в день. Исследование, проведенное в лагере афганских беженцев в Пакистане, показало, что ежедневная потребность в дровах там составляет до 19 кг на семью. Более половины дров в типичном домашнем хозяйстве уходит на выпечку хлеба, остальные - на приготовление другой пищи. Зимой, естественно, дров требуется больше.

Несмотря на то, что количество энергии, необходимое для приготовления пищи, является разным, солнечные печи дают значительную экономию энергии. Первоочередная задача солнечных печей - снижение потребности в дровах, которые до сих пор являются важнейшим топливом для приготовления пищи. Проблема заключается в том, что древесина недорога по сравнению с керосином, баллонным газом и электричеством. Возрастающая неконтролируемая вырубка деревьев для собственных нужд и на продажу является основной причиной исчезновения лесов, расширения пустынь, эрозии почвы, снижения уровня подземных вод, и оказывает долгосрочное неблагоприятное воздействие на экологический баланс. Скудные остатки лесов в Пакистане и безудержная вырубка лесов в Кении служат доказательством того, что страхи по этому поводу не преувеличены.

В целом, солнечные печи вряд ли могут внести большой вклад в национальную энергетику. Однако они могут весьма существенно улучшить условия жизни бедняков, помочь им преодолеть личный энергетический кризис.

Солнечные печи бывают разных форм и размеров. Приведем несколько примеров: духовой шкаф, печь-концентратор, рефлектор, солнечный пароварочный аппарат и т.д. При всем разнообразии моделей, все печи улавливают тепло и удерживают его в теплоизолированной камере. В большинстве моделей солнечный свет непосредственно воздействует на пищу.

Использование природных источников энергии становится все более популярным. Собранная своими руками солнечная печь – дешевый и удобный вариант приготовления пищи на свежем воздухе.

Солнечная печь заменяет такие источники энергии, как газ, электричество. Эта печь неприменима в условиях квартиры, но для хозяев частных домов, сельских жителей это достаточно удобный бесплатный источник энергии. Использовать солнечную печь можно только в солнечную погоду. Для умеренного климата это возможно 4-5 месяцев в году.

В продаже можно встретить готовые солнечные печи. Их цена достаточно высока. Печь, работающую от энергии солнца, можно изготовить собственными силами. Для этого не потребуются специальные знания или дорогостоящие материалы. Изготовленные своими руками солнечные печи не требуют больших вложений. Самые простые модели можно сделать из подручных материалов бесплатно или с минимальными тратами.

Варианты солнечных печей

Существует множество вариантов исполнения солнечных печей, различающихся материалами, из которых они изготовлены, формой, размерами. Солнечную печь можно изготовить, например, из следующих материалов:

• Из картона и фольги (алюминиевой).
• Из деревянных брусьев, досок, фольги, зеркал.
• Из дерева, листов алюминия, жести и зеркал.
• Из глины, дерева, алюминиевых листов, стекла.

Форма печи зависит от предпочтений и фантазии изготовителя. Самыми распространенными являются печи двух форм:

1. В форме тарелки – вогнутая поверхность, оптический концентратор. Можно использовать старую параболическую тарелку-антенну, а можно изготовить тарелку, например, из картона. Поверхность тарелки должна быть зеркальной. Такой вид печи позволяет достичь большой температуры в месте установки кастрюли. Она подходит для приготовления небольшого объема пищи за короткое время.

Конструкция тарелки имеет недостатки. В процессе приготовления нужно следить за положением солнца, поворачивать конструкцию в сторону солнца примерно два раза в час. При несоблюдении мер предосторожности можно получить серьезные ожоги рук, глаз.

2. В форме шкафа. Все стены шкафа делают зеркальными (обивают алюминием, фольгой, зеркальной пленкой), бока шкафа утепляют для уменьшения теплопотерь.

Печи-тарелки

При изготовлении печи из готовой тарелки ее внутреннюю поверхность необходимо оклеить зеркальной пленкой или зеркалами. Такая поверхность концентрирует солнечные лучи в центре. Кастрюля должна быть помещена именно в центре, в самом жарком месте.

Чтобы можно было поставить кастрюлю, нужно изготовить рамку-подставку под нее. Обычно рамку делают из металлических прутьев. Она может стоять отдельно от тарелки, над ней, или крепится к антенне по краям.

Самым дешевым вариантом изготовления печи-тарелки является использование картона и фольги. Из картона вырезают лепестки, пример показан на рисунке.

Скрепляют их между собой в три этапа: сначала самые широкие и длинные части, затем средние более узкие и в конце самые маленькие, образующие кольцо. Кольцо закрепляется через отверстия проволокой, веревкой.

Внутреннюю поверхность конструкции обклеивают фольгой. Делают подставку для посуды. Для этого можно проделать в печи 4 отверстия, вставить в них металлические прутья, затем к их концам крепятся проволокой еще 2 прута. Важно убедиться в прочности креплений, чтобы прутья не выскочили, можно укрепить их, например, резинками или проволокой в месте прохождения через картон.

Печи-шкафы

Изготовление самого простого варианта печи из панелей стоит около 2 долларов. Из картона вырезают выкройку будущей печи, собирают конструкцию. На внутреннюю поверхность наклеивают алюминиевую фольгу. Кастрюля помещается внутрь, окружена зеркальными поверхностями, концентрирующими солнечное тепло. Для снижения потерь тепла кастрюлю нужно изолировать. Самый простой вариант – поместить ее в полиэтиленовый пакет.

Более надежный, мощный и долговечный вариант солнечной печи – большая солнечная печь с деревянным каркасом. Основа каркаса – 4 бруса, к которым крепятся стенки и дно печи. Передние брусья должны быть короче задних. Длина брусьев больше высоты стенок, нижняя часть брусьев служит ножками печи.

Внутрь деревянного каркаса вставляется металлический той же формы, изготовленный из листов металла. Для усиления нагрева металл можно покрасить в черный цвет, так он будет быстрее нагреваться на солнце. Сверху к печи крепится рама и открывающаяся крышка со стеклом. Стекло к раме крышки крепится герметиком, крышка к печи – петлями. Можно утеплить печь, уложив между деревянным и металлическим каркасами слой изолирующего материала.

Любой вариант солнечной печи имеет общий недостаток: ограниченность использования. Готовить в такой печи можно только в теплую солнечную погоду и в светлое время дня. Но в любом случае это необычный и экономный способ приготовления пищи.