Как сделать и использовать солнечную печь. Как сделать солнечную печь Солнечная печь

В последнее время все более популярными становятся солнечные печи, причем именно самостоятельного изготовления. На самом деле сделать солнечную печь своими руками очень просто. В данной статье мы сделали подборку нескольких вариантов солнечных печей, которые были выполнены народными умельцами, а также рассмотрели пошаговую инструкцию их изготовления.

Вариант №1 изготовления печи.

Итак, представляем первый вариант, который заслуживает внимания. Для того чтобы смастерить солнечную печь своими руками, понадобиться:

Лист фанеры толщиной 3мм.
Лист кровельного или оцинкованного железа толщиной 0,5мм
Брус 4х4
Доски толщиной 2см, суммарной длиной 4м.
Штапик фиксации стекла
Зеркало
Краска черного цвета
Два стекла 50х50 см
Ручки

Процесс изготовления печи своими руками

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

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

Сама рама будет фиксироваться на несущей раме, которая крепиться на стойках.

После того как, несущая рама закреплена, изготавливается специальная коробка по периметру, в которой будет находиться основная рама. Основная рама будет подвижной.

Затем ножницами по металлу вырезается металлическая часть, где будет происходить нагрев. По бокам делаются надрезы, производится загиб, и лист вставляется внутрь будущей печки и закрепляется.

Для эффективности металлическая часть красят в черный цвет.

Вырезается стекло, которое крепиться к раме с помощью герметика. С помощью бруска, на котором будет крепиться петля, устанавливается крышка, на которой будут зафиксированы зеркала с помощью клея. С помощью планок армируется крышка по периметру. Затем крепятся ручки.

Чтобы печь полноценно работала необходимо ее утеплить. Для этого используется стандартный утеплитель.

Полный процесс изготовления изображен на видео автора (greenpeace.ru).

Второй вариант изготовления солнечной печи своими руками

В данном случае солнечная печь или солнечный концентратор изготавливается из старой параболической антенны диаметром около метра, на внутреннюю поверхность которой наклеиваются зеркала или зеркальная пленка. Причем использование зеркал предпочтительнее, так как их проще мыть. В данном случае второй вариант очень прост в изготовлении. Параболическая отражающая поверхность позволяет сконцентрировать в одной точке, в центре, солнечные лучи. Конструкция рамы зависит от фантазии автора, главное, чтобы в центре удобно было поместить посуду, в которой будет происходить нагрев. Для этого, как правило, делается отдельно стоящая металлическая конструкция или крепящаяся к антенне. Пример такой солнечной печи изображен на видео.

Еще один пример использования солнечной энергии для приготовления пищи. На этот раз автор решил сделать солнечную печь деревянной конструкции, чтобы ощутить всю выгоду использования бесплатной солнечной энергии.
При качественной сборке печь подобной конструкции сможет прослужить долгие годы для приготовления пищи на солнце.

1) деревянные брусья
2) влагостойкая фанера толщиной 20 мм
3) тонкие листы алюминия
4) металлические штыри
5) колесики
6) антисептик
7) краска

Рассмотрим основные особенности конструкции солнечной печи и этапы ее сборки.

Главным преимуществом печи подобной конструкции является то, что для слежения за приготовлением пищи, вовсе не нужно находится в зоне зеркал под ослепительными лучами солнца.

Корпус солнечной печи автор решил делать из древесины, так как с ней довольно легче работать, к тому же у автора уже был опыт работы с деревом. Сам корпус выполнялся из деревянных брусьев, соединив которые автор получил основной каркас солнечной печи. Данный каркас был обит влагостойкой фанерой толщиной 20 мм, хотя так же можно использовать обычные доски. Сам корпус был изготовлен по форме прямоугольного треугольника.

После этого внутреннюю часть поверхности солнечной печи автор устелил тонкими листами алюминия. Приготовление пищи будет происходить за счет передачи тепловой энергии полученной данными листами металла, которые будут нагреваться под лучами солнца.

Затем автор приступил к сборке солнечной печи, точнее ее основной камеры для приготовления пищи. Для этого все стенки обитые листами тонкого алюминия были соединены таким образом, чтобы все внутренне пространство было обито металлом.

Как видно из картинок, сзади остается небольшое отверстие, которое послужит дверцей. То есть укладка пищи и слежение за ее приготовлением, будет осуществляться через эту дверцу расположенную на задней стенке печи. Таким образом вы будете защищены от прямых солнечных лучей.

Данную дверцу автор решил закрепить при помощи обычных дверных петель. Благодаря этому будет довольно легко и удобно открывать ее для демонстрации состояния пищи, и закрывать обратно если еда еще не приготовилась.

Важным фактором эффективной работы подобной солнечной печи является то, чтобы она была постоянно повернута своей лицевой частью под прямые лучи солнца. Это позволит металлическим листам быстрее нагреваться.

Далее полученную камеру для приготовления пищи автор накрыл стеклом и герметизировал. На данном этапе сборки важно проследить, чтобы внутри камеры приготовления отсутствовали какие-либо цели или отверстия, через которые сможет уходит горячий воздух. В случае обнаружения подобных щелей, их стоит обязательно устранить, так как это может серьезно отразиться на эффективности печи и температуре внутри камеры приготовления.

Для того, чтобы печь находилась не на земле, а на удобном уровне высоты, автор сделал ножки из деревянных брусьев.

Так как печь необходимо поворачивать к солнцу по мере его перемещения, то к брусьям были приделаны небольшие колеса, что существенно облегчило задачу передвижения печи.

Чтобы еще сильнее повысить эффективность и мощность данной печки, автор сделал дополнительные отражатели. Такие отражатели можно изготовить из зеркал, полированного алюминия или полированной нержавеющей стали. В данном случае автор решил сделать отражатели таким же образом, как и внутренние стенки камеры приготовления печи. то есть листы фанеры были обиты тонким алюминием с одной стороны. После этого отражатели были закреплены по всем сторонам печи, это отлично видно на картинке.

Если вы не хотите, чтобы печь при хранении занимала очень много места, то резонно сделать отражатели съемными, или как сделал автор - складывающимися. Для этого размер отражателей был подогнан под нужные рамки, а так как они получились довольно толстыми 10-20 мм, то их крепления были сделаны на разной высоте, таким образом учитывалась толщина при складывании.

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).

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

Альтернативная энергия солнца

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

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

Виды солнечных обогревателей

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

Плоскими.
Вакуумными.
Воздушными.

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

Плоские коллекторы

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

Вакуумные обогреватели

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

Воздушные модели

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

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

Принцип работы солнечного обогревателя

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

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

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

Установка солнечной печи своими руками

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

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

Как сделать солнечную печь

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

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

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

Рациональность использования энергии солнца

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

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

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.