Самодельные солнечные печки. Печь солнечная своими руками: особенности изготовления, полезные советы

Вряд ли сейчас можно кого-то удивить тем, как солнечная энергия работает на Земле. Солнце снабжает нас электричеством, отапливает наши дома, дает жизнь нашим электронным устройствам. И чем дальше, тем больше солнечная энергетика входит в повседневную жизнь, завоевывая все новые и новые позиции.

И никого сейчас не удивить наручными часами на солнечных батареях, калькуляторами, фонариками, приемниками, мобильными телефонами, работающими от солнечных батарей. В походах, на отдыхе, на даче солнечные батареи – незаменимая вещь. Сейчас строятся дачные дома, коттеджи, которые полностью находятся на «солнечном обеспечении» и не зависят от общих сетей энергоносителей.

Загородный дом с солнечным отоплением и электричеством

Солнце дает в эти дома электричество, солнце отапливает их, освещает сад возле дома, улицу. Этого электричества достаточно для того, чтобы работали все бытовые приборы в доме – холодильник, телевизор, пылесос, стиральная машина, электропечь. Но это в доме. А что же за пределами дома, на свежем воздухе? В летнее время гораздо приятнее трапезничать на веранде, в беседке. Можно, конечно, приготовить еду в доме. А потом носить ее к столу. А можно рядом с верандой, беседкой поставить солнечную печь и приготовить все на месте. И, что называется, с пылу, с жару – прямо на стол.

Солнечная печь на дачном участке

Солнечная печь тем и хороша, что не занимает много места, легко собирается и устанавливается. Она не требует никого топлива, не загрязняет окружающую среду, после использования легко складывается. Это незаменимая вещь для дачи, для выезда за город на пикник, для походов. Эти печи могут быть разных размеров, разных конструкций, складные и стационарные, но принцип у них всегда один – собрать солнечные лучи в пучок и направить их туда, где будет стоять емкость, в которой готовится пища. А уж как используется этот пучок солнечной энергии, во многом зависит от конструкции печи.

Что же это такое – солнечная печь?

Еще в 1956 году в СССР появилась первая солнечная печь. Параболическое зеркало фокусировало лучи солнца на специальную подставку, на которой был установлен сосуд с водой. Через короткий промежуток времени вода закипела. Журналисты сфотографировали это чудо техники во всех ракурсах, в прессе появилось несколько коротких заметок, и на этом дело закончилось. От промышленного производства подобных устройств тогда отказались.

Но народные умельцы, в отличие от промышленности, приняли новинку с энтузиазмом. Ее начали модернизировать, появились новые конструктивные решения, множество самодельных устройств. Это были и уже проверенные параболические зеркала, но с поворотными механизмами, которые позволяли поворачивать зеркало вслед за солнцем, не меняя места расположения емкости для приготовления пищи. Это были и солнечные духовки, сделанные из подручных материалов – дерева, картона, жести. Были и более сложные конструкции, сочетающие в себе традиционный зеркальный концентратор и духовку.

Солнечная духовка

Все эти устройства были легкими, компактными, их было легко собирать и разбирать. Они занимали очень мало места в рюкзаках и не требовали никакого топлива. Поэтому так охотно их брали с собой в походы, на различные загородные пикники. После их использования не оставалось ни золы, ни углей – ничего. И готовить на этих печах можно было все, что угодно. От простого кипятка, до ухи, шашлыков, барбекю.

Солнечная печь своими руками

Сделать самому солнечную печь не представляет никакого особого труда. Обычно, приступая к изготовлению, руководствуются только тем, для чего, собственно, сооружается эта конструкция. А вопрос о том, как сделать солнечную печь, вообще не стоит. Если речь идет об установке такой печи на даче, в уютном местечке возле загородного дома, то здесь можно подумать о сооружении основательной, стационарной конструкции. Для пешего похода можно использовать легкую разборную конструкцию. Несколько более сложную, но тоже сборно-разборную установку можно сделать, если планируется выезд на машинах за город, на пикник.

Самую простейшую солнечную печь народные умельцы собирают из зонтика. На раскрытый зонтик с внутренней стороны наклеивается зеркальная пленка или просто алюминиевая фольга. Ручку зонтика желательно убрать. И печь готова.

Остается только в землю воткнуть подставку для котелка, чайника, кастрюли, рядом зафиксировать импровизированное зеркало, сфокусировать пучок света на том месте, где будет находиться емкость с приготовляемой едой. И печь готова. Некоторые мастера покрывают внутреннюю поверхность зонтика мозаикой из зеркал. Но это намного утяжеляет конструкцию, делает ее практически неразборной или одноразовой.

Солнечная печь из зонтика

Для конструкции посложнее понадобится не очень большая картонная коробка (примерно до полуметра каждая сторона), четыре деревянных бруска, равных по длине высоте коробки, сечением 25х25 мм, стекло, имеющее размеры, равные сторонам коробки.

Также нужна будет термостойкая черная краска (обязательно нетоксичная!), несколько кирпичей (сколько поместится на дно коробки), зеркальная пленка или алюминиевая фольга. Коробку изнутри покрасить черной краской. Этой же краской выкрасить и кирпичи. Можно покрасить в два слоя.

Выдержать некоторое время, чтобы краска хорошо просохла и из коробки выветрился бы ее запах. На четыре верхних крыла коробки наклеить зеркальную пленку или фольгу. По углам коробки укрепить деревянные бруски. На них будет держаться стекло. Уложить на дно коробки кирпичи. Теперь остается поставить ее на место, максимально освещаемое солнцем. Печь готова к работе.

Солнечная печь из картонных коробок

На кирпичи можно ставить кастрюлю, чайник, сковороду. Сориентировать зеркальные покрытия коробки так, чтобы максимальное количество солнечного света попадало внутрь, накрыть коробку стеклом и ждать, пока еда приготовится. Внутри коробки температура может превышать 200°С. Кирпичи, нагреваясь, сохраняют тепло, если солнце внезапно скроется за облаками.

Промышленные солнечные печи

Что касается солнечных печей, выпускаемых промышленностью, то их создатели уже дали волю фантазии, оснастив эти устройства всеми мыслимыми и немыслимыми приспособлениями. Легкие, складывающиеся, как чемодан, они в считанные минуты устанавливаются в рабочее положение. Эти печи сочетают в себе достоинства солнечных параболоцилиндрических концентраторов и вакуумных трубок.

Солнечная печь Solar Stove

В фокусе параболоцилиндрического зеркала расположена длинная вакуумная трубка. Но вместо легкокипящей жидкости во внутренней полости находится поддон, в который укладываются продукты для приготовления. Поддон вставляется в трубку и фиксируется. Вакуум вокруг внутренней полости обеспечивает надежную теплоизоляцию и высокую температуру внутри нее. Температура во внутренней полости может превышать 300°С.

Вакуумная труба с регулировочным экраном

Для того чтобы контролировать температуру в рабочей камере, в торце вакуумной трубки установлен термометр. Он является составной частью электронного блока управления. В этом блоке имеется термостат с предустановкой рабочей температуры, система управления поворотом зеркала, таймер, который закрывает зеркало по истечении заданного времени и подает звуковой сигнал. Вся электроника питается от солнечной батареи, встроенной в корпус.

Термометр с термостатом и органами настройки

В собранном виде эта печь имеет вид чемодана длиной примерно 75 см, высотой около 40 см, толщиной 11 см. Весит она немногим более четырех килограмм. А готовить в ней можно все, что угодно: мясо, рыбу, овощи. Можно печь пирожки. И конечно, самое главное ее достоинство – это экологически абсолютно чистое устройство, не потребляющее никакой другой энергии, кроме энергии солнца, и не загрязняющее окружающую среду.

Солнечная печь в собранном виде и загрузка продуктов для приготовления

Конечно, было бы наивным полагать, что гелиевые печи смогут полноценно заменить традиционные – газовые и электрические. Но в походах, на дачных участках, на загородных пикниках они с успехом вытесняют старые громоздкие устройства, которые требуют, к тому же, еще и топливо, а после себя оставляют кучи золы, закопченную посуду. Экологически чистые, сверкающие зеркалами солнечные печи уверенно занимают свое место в нашей повседневной жизни.

Я уже писал статью о том как изготовить параболическую солнечную печь на основе спутниковой антенны. Подобная печь показала отличные характеристики и эффективность. Однако не у каждого есть ненужная спутниковая антенна, а покупать ее специально для изготовления солнечной печи весьма затратно. Поэтому в данной статье будет рассказано о изготовлении параболической солнечной печи на основе фольги и картона.

Материалы, которые использовал автор для создания данной модели солнечной печи:
1) гофрированный картон
2) канцелярский нож
3) клей
4) полированная фольга
5) болты м4 20 мм
6) широкие шайбы
7) ткань
8) проволока

Рассмотрим максимально подробно план создания параболической солнечной печи, а так же основные отличительные особенности данной модели.

И так, автор решил изготовить солнечную печь в форме спутниковой антенны, используя картон как основной материал.
Если быть точнее, то использовался гофрокартон от обычных картонных коробок. Поэтому для того, чтобы все элементы были достаточно ровные и прочные, автор скрепил при помощи клея два таких листа таким образом, чтобы волны гофрокартона каждого из листов были перпендикулярны друг другу.

Для упрощения изготовления солнечной печи, автор сделал несколько схем, по которым и шло строительство .
Автор решил создавать параболу из 12 частей одинаковых размеров. Согласно приведенным на схемах размерам, будущая солнечная печь будет площадью около 0.8 м. кв. Однако вы можете увеличить элементы в масштабе таким образом получив большую площадь поверхности параболической солнечной печи, что в свою очередь увеличит максимальную температуру, которую сможет создавать данная печь.

Для того, чтобы ускорить процесс вырезания элементов солнечной печи из листов картона, автор расчертил один элемент и сделал его шаблонным. Далее данный шаблонный сегмент просто прикладывался к картону и при помощи канцелярского ножа вырезались все остальные сегменты.

Чтобы защитить и укрепить элементы солнечной печи, автор сделал их окантовку. Для этого к каждому элементу по краям была приклеена полоска шириной 5 см из плотной бумаги. Так же элементы были соединены между собой при помощи приклеенной полоски ткани, которая будет выступать в роли шарнирного соединения. Такое соединение позволит складывать солнечную печь при необходимости для ее хранения либо перемещения.

Так как автор предпочел использовать смеху сложения печи "гармошка", то полоски ткани между сегментами крепились поочередно то с лицевой стороны то с тыльной. При этом автор оставлял зазор между каждым элементом шириной в 2-3 мм, таким образом края элементов не будут испытывать дополнительной нагрузки при складывании солнечной печи.

После того, как все элементы были соединены вместе, автор получил необходимую параболу. Следующим шагом на ее внутреннюю поверхность была приклеена фольга. Автор использовал именно полированную фольгу, так как она обладает достаточно большим отражающим эффектом. В магазинах продаются самоклеющиеся обои с зеркальной поверхностью, которые так же отлично подойдут для обклеивания внутренней поверхности солнечной печи.

Для фиксации элементов в форме параболы автор прикрутил несколько болтов к первому и двенадцатому сегменту солнечной печи. Автор использовал болты М4 20 мм и широкие шайбы для их надежной фиксации, так как они будут вкручиваться в картон.

В точке схождения элементов солнечно печи автор сделал круглую плоскость из фанеры. Эта плоскость выполняет роль заглушки, а так же фиксатора узкой части элементов солнечной печи. Для этого автор использовал проволоку, которая будет крепить элементы к данной заглушке.

Все это отлично показано на схематичных картинках снизу:

Как видно из данной схемы, проволока вставляется в отверстие в каждом сегменте через один, после чего все сегменты у основания обматываются веревкой и надежно фиксируются.

Для того, чтобы сделать подставку, на которую будет устанавливаться кастрюля, автор использовал деревянный брусок и металлическую решетку.

Таким образом можно легко регулировать угол наклона самой солнечной печи и расположение в ней кастрюли, которое прямиком зависит от положения солнца на уровне горизонта.

Так как солнечная печь преимущественно состоит из картона и фольги, то она довольно легкая, поэтому при установке ее необходимо фиксировать, чтобы ее не сдул ветер. Фиксация солнечной печи происходит при помощи растяжек, а для того, чтобы геометрия печи не страдала от данных растяжек, автор стягивает параболу веревкой.

Удивительно, но при ясной погоде скорость приготовления пищи, по заверениям автора, в два раза больше, чем при использовании газовой печки. Другими достоинствами данной печки является то, что она весьма дешева в изготовлении, так как не требует дорогих материалов. Благодаря складывающейся конструкции, эту солнечную печь очень легко транспортировать и хранить, к тому же она весьма легкая, так как основной ее составляющей является картон.

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).

Солнечные печи или «солнечные плиты» все чаще применяются по всему миру, чтобы сократить использование дров и других видов топлива. Даже если у вас есть электричество, это энергосберегающее устройство всегда вам пригодится. Чтобы сделать легкую или мощную солнечную печь, следуйте данным инструкциям.

Шаги

Легкая солнечная печь

Положите меньшую коробку в большую коробку. Расстояние между коробками набейте разорванными в клочья газетами. Это изоляционный материал.

Покройте внутреннюю полость меньшей коробки черным строительным картоном. Он будет впитывать тепло. Когда вы будете закреплять строительный картон на стенах коробки, следите, чтобы ширина суженного конца квадрата была такой же, как и ширина стороны, на которой вы закрепляете этот квадрат; ширина расширяющегося конца должна быть на несколько сантиметров больше, нежели ширина суженного конца.

Покройте все участки картона отражающим материалом по типу фольги. Отражающий материал должен плотно прилегать, потому разгладьте все складочки и сгибы. Закрепите материал резиновым клеем или скотчем на стороне каждого отражателя.

Прикрепите все отражатели к верхней части коробки. Вы можете воспользоваться клеем, степлером или нитками, и пускай отражатели пока повисят.

Подоприте каждый отражатель под углом 45 градусов. Самый легкий способ это сделать – соединить отражатели в расширяющихся верхних углах (напр., проколов смежные углы и связав их нитью, затем развязав их для разборки). Тем не менее, можно вставить штоки в землю под отражателями или что-то иное, способное удерживать их на одном месте. Если на улице ветрено, закрепите штоки крепко, чтобы их не снесло.

• Если вы возьмете штоки, закрепите их для большей надежности клеем.

1. Положите печь под открытое солнце и готовьте. Положите пищу в маленький коробок для готовки. Лучше всего готовить в банках или на небольшом, темном пекарном противне. Поэкспериментируйте со временем приготовления и местом, куда вы кладете коробку. Возможно, вам придется менять положение коробки несколько раз в процессе приготовления, чтобы поймать солнечные лучи.

   Мощная солнечная печь

   1. По вертикали разрежьте металлический бидон механическим лобзиком. Сойдет бидон для нефтепродуктов. Возьмите металлорежущую пилу. Когда вы закончите, половина бидона должна быть похожа на колыбель. Для печи вам понадобится только одна половина бидона.

      Тщательно вымойте внутреннюю полость бидона обезжиривающим мылом. Воспользуйтесь скребковой щеткой, уделяя внимание уголкам и расщелинам.

      Измерьте и вырежьте куски листового металла для покрытия внутренней полости бидона. Вам понадобится один большой прямоугольник для дугообразной стороны и два полукруга для других сторон.

      • Чтобы вырезать большой прямоугольник, отмерьте одну сторону, равную внутренней высоте половины бидона, и другую - равную дугообразной длине боковой стороны, которую вы можете измерить гибкой рулеткой (напр., лентой швеи).
      • Чтобы вырезать два полукруга, измерьте радиус (половина диаметра) полукруглых сторон; удерживая конец ленты в середине, нарисуйте маркером идеальный круг на листовом металле, вырежьте его и разрежьте пополам.

   2. Прикрепите листовой металл к внутренней стороне бидона. Чтобы прикрепить куски листа вытяжными заклепками, просверлите отверстия сквозь листовой металл и бидон 3 мм сверлом, а затем вставьте 3 мм заклепки. Также можно просверлить отверстия, а затем скрепить листовой металл с бидоном винтами для скрепления листового металла. Сейчас винты будут торчать из задней панели печи, но потом они будут покрыты изоляцией.

      Покрасьте внутренние стороны бидона отражающей краской для барбекю. Она увеличит температуру внутри печи.

      Покройте сплошным металлическим проемом три из четырех верхних края духовки. Он закрепит на месте стеклянную столешницу (которую вы будете вставлять и вытаскивать через четвертую открытую сторону). Легче всего его сделать из шести отрезков металлического фартука:

      • Измерьте короткий верхний край печи и отрежьте два отрезка по этой длине. Затем измерьте длинный верхний край печи, вычтите ширину фартука из полученной длины и отрежьте оставшиеся четыре отрезка; прикрепите фартук к сторонам, освобождая место для отрезка в конце.
      • Поместите отрезок фартука на последний край таким образом, чтобы изогнутые металлические «складки» вертикальной внешней стороны были над горизонтальной верхней кромкой. Второй отрезок фартука положите на первый таким образом, чтобы вертикальные стороны были на одном уровне, но осталось достаточно широкое отверстие для прохода стеклянной столешницы. Положите полоску из какого-нибудь материала (напр., толстого картона) между двумя отрезками фартука, чтобы оставить открытый промежуток, затем просверлите двойной слой фартука и бидон и скрепите их заклепками. Вытащите картон и сделайте то же самое с оставшимися двумя краями.
        • Фартучный «сэндвич» (в отличие от однослойного проема по верху) убережет стекло от раскрашивания о неровные края бидона, который вы разрезали вручную.

   3. Переверните половину бидона вверх дном и распылите изоляцию по наружным стенам. Слой должен быть тонким, потому что он потом расширится. Посмотрите на канистру для получения дальнейшей инструкции.

      Закрепите дно печи на основании. Просто просверлите и закрепите бидон на основании, которое наиболее удобно для вашего местонахождения (напр., деревянная или прямоугольная алюминиевая рама на колесах и т.д.), убедившись, что основание достаточно широко, дабы бидон не опрокинулся. В зависимости от местонахождения, возможно, вам понадобится немного наклонить печь для лучшего попадания солнечных лучей (напр., в северном полушарии печь надо наклонять к югу, а на экваторе – направлять прямо вверх).

      Просверлите дренажные отверстия в донышке печи. Просто просверлите небольшие дырочки через каждые несколько дюймов по прямой линии в донышке, буравя изоляцию. Благодаря этим отверстиям скопленный и охлажденный пар будет стекать вниз из духовки.

      Вставьте подходящее по размеру закаленное стекло в металлический проем. Закаленное стекло не только крепче обычного, но оно также идет со сточенными краями, что позволяет использовать его сразу. Так как вы будете регулярно двигать стекло, выберите более толстый лист (напр. 5 мм) для дополнительной крепости. Закажите его в хозяйственном магазине, указывая размер вашей солнечной печи.

      Установите магнитный термометр. Например, термометры для дровяной печи имеют магнитную подкладку, благодаря которой термометр выдерживает постоянные высокие температуры.

      Положите вдоль дна тонкий алюминиевый гриль (необязательно). Просто положите один-два алюминиевых гриля для удобного размещения пищи.

      Испытайте теплоемкость вашей печи в жаркий солнечный день. Разумно предположить, что максимальная температура для данной печи колеблется между 250 и 350 градусами по Фаренгейту (90-175 градусов по Цельсию). Теплоемкость конкретной модели печи определяют размер, материалы, из которых она сделана, и изоляция. Используйте эту температуру, чтобы растянуть приготовление мяса на несколько часов, как будто вы его готовите в медленноварке. Приготовление ростбифа или курицы займет около 5 часов, а ребрышек – всего 3 (плюс 5-10 минут обжарки в конце). Проверяйте внутреннюю температуру своего мяса с помощью термометра, когда вы закроете печь.

   • Из отходов можно сделать легкую печь для школьного проекта.
   • Вы должны использовать печь на участке, освещаемом солнцем. Тепловая энергия идет от солнца.
   • Чтобы легкая печь была более продуктивна и готовила при очень высокой температуре, поймайте солнечные лучи в ловушку (без накрытия горячий воздух будет постоянно подниматься, а холодный оставаться). Дешевы и просты в использовании пакеты для запекания. Просто положите кастрюлю, в которой вы что-то готовите, в такой пакет. Стеклянная панель, желательно двойная, является альтернативным решением. Стекло должно быть немного больше меньшей коробки, но не настолько, чтобы оно не влезало в коробку, которая больше.
   • Разместить штоки, поддерживающие отражатели, будет гораздо проще, если у вас есть напарник, который придержит отражатели под правильным углом, пока вы устанавливаете штоки и закрепляете результат клеем.
   • В крайнем случае, разогрейте полуфабрикаты, наподобие консервов, спрятав их в два пакета для запекания: положите пищу в маленький пакетик, а тот – в больший пакет, застегните их – и получится отличная ловушка для тепла. Положите еду на какой-нибудь отражатель, например, на пакет чипсов или отражатель на лобовом стекле автомобиля.

   Предупреждения

   • Будьте осторожны, доставая еду или посуду из печи или отодвигая стекло (если оно есть). Печь может очень нагреться. Пользуйтесь прихватками или щипцами, когда вы имеете дело с духовками или плитами.
   • Легкая печь не имеет защиты от диких животных. Потому спрячьте ее в защищенном месте.
   • Никогда не мойте стекло мощной духовки в холодной воде, пока оно еще горячее. Стекло лопнет из-за резкого перепада температуры.
   • Никогда не лезьте руками в горячую печь без какой-либо защиты – вы получите ожог.
   • Легкая печь эффективна практически везде, где вы способны захватить солнечный свет, но вы не сможете установить температуру и определить время приготовления, как это возможно в обычной духовке. Убедитесь, что пища готовится при рекомендованной температуре, воспользовавшись термометром для запекания мяса.

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.