Солнечная духовка своими руками. Солнечная печь: современный и безопасный способ приготовления пищи Самодельные солнечные печки

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).

Учёные уже давно нашли способ использовать солнечную энергию для подпитки различных устройств или даже жилых объектов. На прилавках магазинов встречается много различного оборудования, работающего на солнечных батареях. Но не все обязательно приобретать за деньги, поскольку некоторые агрегаты можно собрать дома из подручных материалов. Речь идёт о солнечной печи.

Солнечные печи уже давно можно приобрести в магазинах или через интернет. Они оснащены множеством полезных приспособлений, облегчающих работу с оборудованием.

Солнечная печь лёгкая, ее можно сложить как чемодан за несколько минут и также быстро разложить в рабочее положение – это идеальный инструмент для путешествий.

Печи, изготавливаемые в промышленных масштабах, сочетают в себе все положительные свойства солнечных параболоцилиндрических концентраторов, а также вакуумных трубок. Благодаря этому, температура нагрева достигает 300 градусов по Цельсию.

Для контроля температуры, в оборудование также встраивается термометр – это составная часть блока управления.

Также в печь монтируется термостат с определённой установкой рабочей температуры, а также система поворота зеркал.

В современное устройство устанавливают таймер, который по истечении определённого времени, начнёт закрывать зеркала, находящиеся внутри солнечной печи. Когда наступит установленное время, таймер также подаст звуковой сигнал, оповещающий о готовности блюда.

Электронная часть оборудования подпитывается от энергии солнца через батарею, установленную в корпус.

В собранном виде чемодан имеет следующие размеры:

• длину в 75 см;
• высоту в 40 см;
• толщину – 11 см.

Вес довольно небольшой и комфортный для переноски на большое расстояние – всего 4 кг.

При помощи печи можно готовить овощи, грибы, мясо или даже испечь пирожки. Основным достоинством является экологичность и экономия на электроэнергии. Оборудование совершенно не загрязняет окружающую среду.

Разновидности солнечных печей

Современные устройства выпускаются в трех основных разновидностях:

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

Коробочная печь

Оборудование представляет собой теплоизоляционную коробку, покрытую зеркальным материалом или пластиком. Чтобы увеличить сбор тепла, внутрь добавляют несколько зеркал, которые служат в качестве отражателей.

Подобный вид оборудования используется для медленного приготовления пищи. Поскольку при самостоятельном изготовлении коробка может быть любых размеров, то на ней можно приготовить большие объемы продуктов. Магазинные образцы не отличаются большими размерами.

Печь с концентратором

Устройство – вогнутое зеркало, собирающее в своём фокусе солнечные лучи и перенаправляющее его на установленную пользователем точку. При самостоятельном изготовлении нет никакой необходимости соблюдать идеально геометрию зеркала, поскольку в фокусе будет располагаться большая по площади кастрюля или иная ёмкость с едой.

Особенностью сооружения является достижение большой температуры нагрева. Оборудование удобно использовать, когда нужно разогреть небольшое количество еды.

Но у печи есть и конструкционный недостаток: необходимо постоянно следить за лучами солнца и время от времени поворачивать зеркало, перенаправления луч в необходимом направлении. Если не умело обращаться с печью, то можно ожечь руки и глаза. Но соблюдая технику безопасности, этой неприятности получится избежать.

Комбинированная

Комбинированный тип представляет собой совокупность двух предыдущих вариантов. Кастрюля с едой, которую нужно подогреть, помещается в коробку, которая с одной стороны обрамляется вогнутой пластиной с зеркальной поверхностью. Печь быстро складывается и собирается в рабочее положение.

Пошаговая инструкция изготовления солнечной печи своими руками

Собрать солнечную печь своими руками не составит большого труда. Можно использовать разные методы, основываясь на чертежах, которые очень простые и интуитивно понятные.

У пользователей могут возникнуть вопросы по размерам печей. Желательно основываться на следующих советах:

1. Если необходимо изготовить печь для дачи, или загородного дома, то задуматься необходимого о более основательной и неподвижной конструкции.
2. Если устройство понадобится для пешего похода, тогда конструкция должна быть разборной и максимально легкой – для удобства транспортировки.
3. Если перемещение печи планируется на машине, то конструкцию можно сделать более сложной, но она все равно должна быть разборной.

Наиболее простой вариант солнечной печи – использование обычного зонтика. Для изготовления нет необходимости использовать чертежи, поскольку устройство максимально постое и понятное.

На раскрытый зонт с внутренней стороны приклеивается зеркальная пленка или алюминиевая фольга. Ручку нужно отсоединить, чтобы не мешалась при помещении в центр посуды для разогрева. Это все необходимые работы. Печь полностью готова к использованию.

Теперь в земли необходимо воткнуть подставку, где будет крепиться котелок и чайник, а около предметов поместить импровизированное зеркало и сфокусировать солнечный луч на емкости с едой.

Некоторые мастера используют разбитое зеркало и внутреннюю часть зонтика покрывают своеобразной мозаикой. Но конструкция в таком случае получается тяжелой, и не разборной.

Коробочная

При сборке коробочной конструкции нужно учитывать несколько основных факторов:

1. Стенки, располагающиеся с внутренней стороны ящика, покрываются фольгой, и должны иметь очень хорошее отражение.
2. Кастрюля, помещающаяся внутри, должна поглощать солнечные лучи, а потому желательно покрасить ее в чёрный цвет или закоптить.
3. Термоизоляция должна быть на высоком уровне. Стенки ящика должны плотно прилегать друг другу, чтобы тепло не ушло наружу. Для осуществления качественной термоизоляции, применяют обычный картон или другие естественные материалы, которые не будут выделять вредных веществ при нагреве. После сборки, температура внутри печи может достигнуть 170 градусов по Цельсию. Но при этом возгорания коробки опасаться не стоит, поскольку этой температуры будет недостаточно.

Если подойти к сооружению конструкции со всей ответственностью, то прослужит печь до 10 лет или дольше.

Неразборный агрегат:

1. Из досок сбивается надежный ящик.
2. Внутрь по всей площади укладывается бумага черного цвета (уплотненной). Это нужно, чтобы энергия солнца максимально поглощалось устройством.
3. Основываясь на размерах полученной коробки, вырезаются отражатели из жести. Края перед монтажом следует закруглить и обработать наждачной бумагой, чтобы не порезаться.
4. Отражатели фиксируются сверху короба. Используются обычные петли или шурупы – на усмотрение мастера. После листы выгибаются под нужным углом, чтобы аккумулировать солнечные лучи на определенный объект внутри агрегата.
5. Крышка должна быть из стекла. Таким образов, ультрафиолетовые лучи преобразуются в тепловую энергию, необходимую для разогрева еды.
6. Под печью желательно соорудить небольшой помост из кирпичей. Они будут накапливать полученное тепло.
7. Если есть желание следить за температурой, к ящику следует прикрепить термометр.

Такой вид солнечной печи идеально подойдет для дачных условий. Взять с собой в путешествие ее не получится из-за относительно большого веса, габаритов и неразъёмности.

Зеркальная с отражателем

Чтобы сделать зеркальную печь с отражателем, можно использовать вариант с зонтиком, который был представлен выше, или собрать конструкцию по чертежу.

1. Потребуется раскроить лепестки из картона в количестве 12 штук.
2. После все детали соединяются по длинной стороне.
3. Далее происходит скрепление внутренней части полученной “тарелки”.
4. Все детали стягиваются проволокой или хорошей веревкой у основания.
5. Тарелку покрывают фольгой, которая хорошо отражает солнечные лучи.

Комбинированная печь

Комбинированный тип наиболее прост в изготовлении, и представляет собой концентратор, который изготавливается из нескольких плоских зеркал. Также понадобится кастрюля с хорошей термоизоляцией.

Чтобы изолировать внутренний объект, используют обычные полиэтиленовые пакеты.

В качестве зеркала можно использовать плотный картон, к которому приклеена алюминиевая фольга.

Конструкция примечательна тем, что ее можно складывать и переносить. Примерные размеры – 33 на 33 см. Но по желанию можно собрать и большие размеры.

Процесс сборки:

1. Для начала следует подготовить основу для корпуса. Желательно использовать лист фанеры. В центр помещается и надежно крепится алюминиевый или стальной стержень. Длина – полметра. На стержне предварительно делается резьба, чтобы на нее поместить в дальнейшем подставку.
2. Делаются пазы, в которые помещаются ребра жесткости из фанеры.
3. Стенки собираются из той же фанеры. Потребуется четыре прямоугольных листа. С одной стороны их следует вырезать выгнутой дугой, а с дугой проделать пазы для скрепления с ребрами.
4. Соединяемые части качественно покрываются клеем и соединяются. Для дополнительной фиксации желательно использовать скрепки. После высыхания короба, следует потрясти заготовки, слабо потянуть за стенки, чтобы удостовериться в надежности. Если конструкция прошла испытания, можно переходить к следующему этапу. Но в случае, если какая-то часть болтается, то ее потребуется поставить на место, залить клеем еще раз.

После создания короба, можно переходить к зеркалу.

1. Нужен треугольный плотный картон с гладкой текстурой.
2. Все детали из картона накладываются внахлест и на верхнюю часть прикрепленных ребер.
3. После фиксации, картон покрывается слоем клея. После накладывается алюминиевая фольга.
4. На стержень помещается подставка в точке, равной половине радиуса зеркальной поверхности.

Солнечная печь своими руками выполненная готова к эксплуатации. Вместо дерева для короба также используют алюминий. Он хорошо проводит тепло и не подвержен коррозии.

Инструкции ответят на вопрос о том, как сделать солнечную печь в домашних условиях.

Преимущества и недостатки

Солнечные печи, собранные своими руками, разнообразны по размерам, но идентичны по строению, а потому не возникает трудностей со сборкой. С помощью печей можно с легкостью аккумулировать тепло для разогрева пищи. Принцип действия основан на впитывании энергии солнечных лучей и перенаправлении их на необходимый объект.

Солнечные печи обладают следующими преимуществами:

1. Дешевизна. Для работы не нужно покупать топливо и использовать дополнительные источники энергии. Для работы потребуются только солнечные лучи.
2. Пища приготавливается максимально безопасно – не стоит опасаться возгорания, как при разведении костра.
3. За печью легко ухаживать и просто эксплуатировать – нужно только направить солнечный луч на нужный объект через зеркальную поверхность.
4. Мобильность. Печь быстро собирается и разбирается. Поэтому не возникает проблем с транспортировкой.
5. Экологичность.
6. Пища нагревается равномерно, и нет риска подгорания. Еду не нужно перемешивать.

Эти качества и обеспечили солнечным печам большую популярность среди путешественников. На печи просто готовить еду. Для приготовления пищи только нужно направить луч солнца на нужный объект.

Сравнительная характеристика тепловой мощности печи и время приготовления пищи

Первоначально он пытался построить эту печь из пенопласта. После некоторых начальных испытаний мастер обнаружил, что пенопласт тяжело порезать ровно. Пенопластовая плита слишком легко крошится даже при использовании самого острого ножа. Встал выбор или делать резак для пенопласта или использовать другой материал. В итоге мастер остановился на фанере.

В местном магазине был куплен отличный материал для отражателя - алюминизированный лист бумаги. Отражательная способность его оказалась достаточно высокой, чтобы проект работал. Если вы не сможете найти этот материал, алюминиевая фольга, закрепленная на картоне, тоже подойдет.

Общая стоимость изделия составила около 35 долларов, включая фанеру, светоотражающую плакатную бумагу, и т.д.

Инструменты и материалы:
-Фанера;
-Крепеж;
-Бумага с алюминиевым покрытием;
-Петли;
-Деревянные шампура;
-Столярный клей;
-Отделка для дерева;
-Станок с ЧПУ с полезной рабочей площадью не менее 24 (609,6 мм) х 28 дюймов (711,2);
-Наждачная бумага;
-Нож;
-Пила;
-Дрель;
-Зажимы;

Шаг первый: теория
На Земле общий поток энергии (плотность потока) от Солнца называется солнечной постоянной. Значение солнечной постоянной составляет приблизительно 1360 Вт на квадратный метр или 1,995 калорий на квадратный см, если измерять на поверхности, перпендикулярной падающему солнечному свету. Это число не меняется, поскольку расстояние между Землей и Солнцем приблизительно постоянно по годовой орбите.

Солнечная печь, которую строит мастер, имеет ширину около 60 см. Параболическая форма коллектора концентрирует энергию на вертеле, поэтому энергия на каждый сантиметр длины будет энергией, которая сосредоточена на локальном 1 см ширины в коллекторе. В данном случае получается 1,991 калорий на квадратный см в минуту x 60 см (ширина) = 117 калорий в минуту солнечной энергии на каждый см длины вдоль шампура.

Детальные научные измерения -))) показали, что типичная сосиска имеет диаметр около 2,5 см. Это дает радиус сосиски около 1,25 см. Объем хот-дога или чего-либо еще - это его длина, умноженная на площадь поперечного сечения. Площадь поперечного сечения будет равна A = Pi, умноженному на квадрат радиуса. Это означает, что каждый линейный сантиметр сосиски имеет объем (1,25 х 1,25 х 3,14) = 5 кубических сантиметров.

Масса любого объекта - это плотность, умноженная на объем. По словам производителя сосисок, которые мастер использовал, каждая сосиска весила 57 граммов. При её длине около 12 см, это дает объем около 4,8 г на см. Получается плотность сосиски чуть ниже 1 грамма на кубический сантиметр.

Комбинируя эти энергозатраты на сантиметр и массу на сантиметр, получается, что в сосиску каждую минуту добавляется 117 / 4,8 = 24 калорий энергии на грамм. Таким образом, каждую секунду мы получаем достаточно энергии, чтобы повышать температуру хот-дога примерно на 24 градуса по Цельсию каждую минуту, когда ее внутренняя температура составляет около 20 ° C.

Но это верно при идеальных условиях без потерь. Учитывая потери, фактическая чистая эффективность плиты составляет около 20%, повышение температуры хот-дога и должно составлять около 5 градусов Цельсия в минуту при ярком солнечном свете. Чтобы нагреть сосиску до температуры 80 ° C от начальной температуры 20 ° C, понадобиться около 15 минут.

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?

2. Преимущества солнечной духовки

3. Ограничения и недостатки

4. Процесс изготовления

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.