Солнечная печь: современный и безопасный способ приготовления пищи. Печь солнечная своими руками: особенности изготовления, полезные советы Солнечная печь своими руками

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

Описание:

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

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

Общий принцип работы солнечных печей:

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

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

Преимущества:

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

– экологичность. Работа печи не наносит вред окружающей среде,

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

– пожаробезопасность. Исключено использование горючего топлива и электричества.

Применение:

Солнечная печь используется для:

– нагревания воды;

– приготовления пищи;

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

Виды солнечных печей, которые наиболее распространены:

Коробчатый вид:

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

Для нагрева печь использует прямые и отраженные рассеянные солнечные лучи.

Параболический отражатель:

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

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.

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).

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.