В статье авторы анализируют возможность и эффективность применения солнечных концентраторов, изготовленных подходящим для повсеместного конструирования способом, для решения проблем антисанитарии, отсутствия пресной воды, стерилизации медицинского оборудования в странах Африки.
Ранее мы исследовали возобновляемые природные источники энергии и экспериментально показали возможности альтернативной энергетики в домашнем хозяйстве. Более всего нас заинтересовали перспективы солнечной энергии, которую мы смогли собрать у себя на подоконнике. К тому же, два года назад наш класс участвовал в экологическом проекте «Земля-наш дом», в ходе которого мы узнали, что сейчас почти во всем мире развивается направление получения энергии из альтернативных источников, но есть огромное препятствие для развивающихся стран — исследования стоят очень дорого, а производство генераторов еще дороже. В Музее Энергии в павильоне «Электрификация» на ВВЦ нам показали макет работающей солнечной станции из ОАЭ, строительство которой может позволить себе далеко не каждая передовая страна. Тогда мы задумались, неужели африканцам солнце светит хуже или там живут люди, недостойные нормальной жизни? Конечно нет, просто им необходимо помочь. Тем более, что Африка — наиболее слабо покрываемый облаками континент планеты. Световой день здесь длится около 10 часов, а количество солнечных дней в году составляет около 90 процентов.
Сначала мы решили проанализировать актуальные проблемы жителей Африки и сосредоточиться на самых главных из них. Среди таковых мы выделили: проблемы с пресной водой, антисанитария, сложность в дезинфекции многоразовых шприцов и скальпелей, малочисленность генераторов. Экономические и политические кризисы 2022 года привели к значительному удорожанию природных ресурсов на мировом рынке. В 2022 году даже наиболее обеспеченные страны Европы ощутили энергетический кризис. А странам «третьего мира» угрожает настоящий энергетический коллапс. Но другой кризис, а именно глобальное потепление, наоборот, поставит в более выигрышное положение тех, кто первым придумает как массовому потребителю использовать энергию Солнца, чего невозможно было достичь ранее из-за «холодного» солнца и, как следствие, низкого КПД установок.
Оказалось, что подобные проблемы уже пытались решить с помощью разных устройств, но или их КПД был слишком низок, или производство было экономически нецелесообразно и дешевле было использовать бензиновые аналоги, или срок их окупаемости превышал 15 лет, что не позволяет организовать массовое производство. Оптимальнее всего использовать солнечный концентратор — устройство, которое путем улавливания солнечного излучения определенным изгибом поверхности концентрирует лучи в одной точке, в один мощный поток. Тогда мы решили сосредоточиться на том, чтобы проанализировать существующие аналоги, выделить самые важные для решения вышеупомянутых проблем параметры, построить наиболее дешевые и простые в изготовлении образцы и экспериментально проверить нашу гипотезу. Среди множества моделей мы выбрали три самых массово повторяемых, которые показались максимально подходящими под наши требования. При этом мы отдавали предпочтение тому варианту, который лучше всего влиял на экологию.
Цель исследования: Оценить возможности и эффективность применения наиболее популярных солнечных концентраторов, изготовленных из переработанного сырья, для повышения уровня жизни и здоровья жителей развивающихся стран.
Задачи:
– Изучить и систематизировать теоретические сведения об изучаемой теме;
– Произвести математический расчёт необходимой кривизны поверхности;
– Выявить важные параметры, влияющие на эффективность использования солнечного концентратора;
– Самостоятельно собрать рабочие образцы солнечных концентраторов различных типов;
– Провести эксперименты с концентрацией солнечных лучей в точке фокуса и использовать полученную тепловую энергию для последующего изучения: обеззараживания и стерилизации объектов, кипячения воды с последующей оценкой мощности установки, термической обработки предметов, в том числе продуктов питания.
– Выявить и систематизировать достоинства и недостатки каждого типа концентраторов для решения конкретной поставленной задачи, а также выбрать оптимальные модели концентратора для каждого конкретного типа задач;
– Оценить возможность, эффективность и экономическую целесообразность применения солнечных концентраторов, изготовленных из переработанного сырья, для повышения уровня жизни и здоровья жителей развивающихся стран.
Объект исследования: Бытовые и социальные проблемы населения развивающихся стран, как следствие высокой стоимости оборудования и ресурсов.
Предмет: Возможность использования бюджетных моделей солнечных концентраторов для решения бытовых и социальных проблем населения развивающихся стран.
Гипотеза: Три самые популярные самодельные модели солнечных концентраторов могут быть использованы для повышения уровня жизни жителей развивающихся стран, расположенных в солнечных регионах планеты. (стерилизация объектов, в т. ч. и для медицинских операций, опреснении воды, получении различной энергии, приготовлении пищи) и удовлетворяют необходимым для массового повторения требованиям: простота и дешевизна изготовления, надежность и удобство использования.
Актуальность работы: За последние годы участились мировые финансовые кризисы и упал уровень благосостояния граждан по всему миру, при этом особенно сильно пострадали жители развивающихся стран, следовательно, именно им сейчас требуется самая большая помощь. К тому же, все более актуальны задачи бюджетной дезинфекции скальпелей, шприцов и прочего медицинского оборудования в Африке, где до сих пор эти предметы являются многоразовыми. Скорейшее решение этой проблемы позволит небогатым жителям развивающихся стран сократить затраты на медицину, избежать антисанитарии, эпидемий, и значительно повысить уровень жизни граждан.
В наше время все большее распространение получают технологии, зависимые от электричества. Но при этом стройка полноценных электростанций экономически оправдана далеко не в каждом регионе планеты, что приводит к использованию дорогих бензиновых генераторов, загрязняющих окружающую среду, а это, в свою очередь, заставляет искать альтернативные пути добычи электричества. Тем паче, скорость развития цифровых и электрозависимых технологий показывает, что в ближайшее время эта проблема будет становиться все более и более актуальной.
Проблемы наличия пресной воды, а также приготовления пищи были актуальны для жителей Африки на протяжении многих веков и, к сожалению, не потеряли актуальности и по сей день. Но всё возрастающий уровень гуманизма жителей планеты, а также развитие технологий и распространение знаний, позволяют как можно скорее приблизится к решению вышеописанных проблем, а они не терпят отлагательств. Наша работа призвана сосредоточится на самых эффективных и самых дешевых в изготовлении концентраторов, которые способен повторить любой школьник, желающий посодействовать африканцам.
Методы: анализ литературы, создание и изучение прототипов, эксперимент, сравнительный анализ, наблюдение, консультация со специалистом.
Солнечный концентратор — это оборудование, которое превращает солнечную энергию в тепло, отражая солнечные лучи и фокусируя их в одной точке. Существуют разные типы концентраторов, но мы сосредоточились на исследовании только нескольких, которые гипотетически показались нам более перспективными для решения обозначенных задач.
Историческая справка
Принцип работы концентратора известен человечеству уже давно. Согласно дошедшим до наших дней источникам, античные писатели Плутарх и Полибий, указали, что человеком, который первым собственноручно сделал чертежи и собрал работающее изобретение, был Архимед, который согласно легенде, сжег греческие корабли, направляя на них отраженный от начищенных до блеска медных щитов. [2, стр. 50]
В 1767 году Гораций-Бенедикт де Соссюра конструирует первую в мире «солнечную печку», а уже с 1852 по 1871 Огюст Мушо, учитель математики в младших классах обычной французской школы, собрал аппарат и провел на нем ряд опытов по преобразованию солнечной энергии. Его экспериментальные проекты показали настолько потрясающие результаты, что правительство выделило специальный грант для проведения дальнейших исследований, а в1878 году выиграл золотую медаль на Всемирной выставке в Париже.
Солнечные концентраторы в наше время
В 2010 году во всём мире работало 1170 МВт солнечных электростанций, включающих в себя не только концентраторы, но и коллекторы солнечной энергии. К настоящему времени 85 % домашних хозяйств в Израиле используют солнечные коллекторы, а выработанная ими энергия составляет 3 % энергопотребления страны и экономит 2 миллиона баррелей нефти в год.
Сейчас общая мощность солнечных коллекторов мира превышает 200 ГВт тепловой энергии и постоянно возрастает благодаря использованию новых материалов, таких как: закаленное стекло с пониженным содержанием железа, улучшенная теплоизоляция и прочное селективное покрытие. Но самый главный двигатель развития прогресса — молодые энтузиасты, которые каждый год исследуют и экспериментируют, воплощая самые смелые изобретения, о которых раньше могли только фантазировать.
С каждым годом создаются всё более новые модификации солнечных коллекторов, в которых используются новые материалы, основанные на передовых разработках, но львиная их доля основана на дорогих и сложных технологиях, что не позволяет поставлять должное количество концентраторов тем, кто нуждается в них больше всего — жителям развивающихся стран. (рис. 1.)
Рис. 1. Солнечный концентратор, установленный по адресу: Московская область, г.Долгопрудный, Лихачевский проезд д.4 стр.1
Теоретическое исследование
Построение подходящей параболы
Па рабола (греч. παραβολή — приближение) — геометрическое место точек на плоскости, равноудалённых от данной прямой и данной точки (называемой фокусом параболы ). В нашей работе фокус обозначался буквой F. Параболу мы использовали для создания концентратора соответствующей формы, т. к. она обладает замечательным свойством — параболическое зеркало отражает пучок параллельных лучей в одну точку, а это как раз то, что нам нужно.
Для проведения исследования потребовалось создать параболу, изучить ее свойства, разобраться с тем, что влияет на ее форму и подобрать оптимальные размеры.
Для начала построим по точкам график функции
Тогда мы открыли справочник и узнали, что можно сразу строить параболу по заданному фокусу, если использовать формулу
Рис. 2. Построение подходящей параболы
Создав в программе график, получили таблицу точек, после чего на миллиметровой бумаге нарисовали по точкам шаблон параболы, по которому выпилили панель для устройства. В дальнейшем можно будет создавать шаблон для печати на обычном принтере, что еще больше упростит задачу для желающих помочь африканцам. Но еще лучше использовать не обычный пластик, а биоразлагаемый, которому был посвящен один из наших прошлых проектов.
Цепная линия — линия, форму которой принимает гибкая однородная нерастяжимая тяжёлая нить или цепь с закреплёнными концами в однородном гравитационном поле. Очень похожа на параболу, поэтому мы решили проверить и такую поверхность. Тем более, что ее можно получить, не только действуя гравитационным полем, но и любой другой силой, например, силой атмосферного давления на натянутую пленку. Чтобы сделать это, нам пришлось создать вакуум в тазу под пленкой.
Для проведения исследования нам нужно было получить начальные знания по физике, чтобы понять связь между явлениями и их характеристиками.
Мы изучили необходимую теорию из разделов математики и физики. В математике мы узнали о том, что такое парабола, какие у нее замечательные свойства и как ее строить. Также мы узнали какие модели концентраторов уже существуют и изучили принцип их работы. [5] Чтобы суметь оптимизировать конструкцию, мы изучили такие физические величины, как: теплота или тепловая энергия, мощность, КПД, теплоемкость и температура кипения (Приложение 1, Таблица 1.). Перед тем, как приступить к экспериментам, нам необходимо было ознакомиться с тем, как измерять температуру, рассчитывать мощность закипания и КПД установки, оценивать стоимость производства солнечного концентратора. Узнать о том, как выращивать бактерии и какие условия для этого необходимо соблюдать (Приложение 2 п.2.3). Проработать основные правила техники безопасности не только во время проведения экспериментов, но и во время работы над сборкой прототипов, которые мы собирались исследовать.
Еще во время выполнения наших прошлых проектов мы хорошо усвоили, что все явления в физике взаимосвязаны, механическая энергия переходит в тепловую, тепловая и механическая энергия переходят в электрическую. Этот опыт оказался очень полезным и в текущем исследовании, т. к. опираясь на результаты, полученные в прошлом году, мы понимаем какая может быть полезная нагрузка у нашего концентратора и как извлечь из этого максимальную мощность.
Эксперимент альная часть
Чтобы провести эксперимент, нам понадобилось сначала собрать несколько прототипов солнечных концентраторов различной конструкции и формы (рис. 3), а потом протестировать их в полевых условиях.
Рис. 3. Четыре прототипа солнечных концентраторов
В качестве образцовых тестов мы выделили: кипячение воды, воспламенение бумаги и древесины, стерилизация различных предметов, нагрев и плавление пластика. (Приложение 2, п. 2.5) (рис. 4.)
Рис. 4. Кипячение воды, воспламенение бумаги и древесины, нагрев и плавление пластика
Для исследования дезинфекционных свойств мы приготовили специальную среду и посеяли бактерии, собранные с различных поверхностей. (Приложение 2, 2.4). (рис. 5, 6.)
Рис. 5. Стерилизация различных предметов
Рис. 6. Стерилизация различных предметов
Дополнительное преимущество нашего эксперимента в том, что мы провели его не только в г. Долгопрудный (55°56′58 с.ш.), но и в г. Анапа (44°53′38″ с.ш.), что позволило нам исследовать зависимость от широты и убедиться в том, что в Африке КПД такой установки будет значительно выше.
Для исследования нам понадобилось оборудование, позволившее вычислить площадь зеркала, измерить температуру в различных точках и длительность происходящих процессов. Для вычислений и построений мы использовали компьютер с соответствующими программами и сайтами, о чем будет написано ниже.
В качестве основного оборудования использован термометр termo PRO wireless thermometer double probe, позволяющий производить измерения температуры в диапазоне от — 50 до +300 градусов.
Эксперимент состоит из 3 частей: создание прототипа, с оценкой трудовых и финансовых затрат, экспериментальное выявление ключевых особенностей концентратора для решения конкретной задачи, проверка эффективности выполнения поставленной задачи концентратором.
Создание прототипов
Создание солнечного концентратора из таза
Данный концентратор будет состоять из двух частей. Рабочая поверхность — зеркальная пленка вогнутой формы, и основа, необходимая для удержания вакуума и для устойчивости прибора.
В качестве основы взят пластиковый таз, а отражатель мы сделали из фольгированного скотча и зеркальной пленки. (Рис. 7).
Рис. 7. Создание солнечного концентратора из таза
Для придания пленке форму цепной линии, мы решили использовать свойство вакуума. При откачке воздуха из нижней части устройства создается пониженное давление, что позволяет атмосферному давлению равномерно натянуть пленку и придать ей необходимую форму, близкую к параболической.
Для откачки воздуха мы применили систему клапанов и шприц Жане. Сделали отверстие нагретой иголкой и ножом, вставляем устройство из клапанов на клей. Затем мы еще раз загерметизировали все стыки клеем.
Таким образом, мы получили солнечный концентратор стоимостью 1060 рублей (Приложение 2, Таблица 1), без учета клея и инструментов.
В эксперименте по сборке модели мы установили, что модель рабочая, успешно фокусирует солнечные лучи в одной точке, но имеет ряд недостатков, рассмотренных в приложении 3.6. В приложении 3.1 мы рассмотрели варианты удешевления конструкции и устранения недостатков, но поскольку два важных принципа (простота сборки и надежность) не соблюдены, продолжили исследование с другими моделями концентратора, а с этой моделью наша гипотеза не подтвердилась.
Создание концентратора параболического типа
Основа концентратора такого типа — лист, согнутый в виде параболы. Самый простой способ придать необходимую форму — сначала начертить выбранную параболу на бумаге, а затем перенести ее на фанеру, которая послужит подставкой, после чего уже закрепить зеркальный лист в имеющихся направляющих.
Исходя из принципа дешевых материалов для производства, решено сделать устройство из фанеры или ДСП — это очень дешевые материалы. Для сокращения затрат можно не закупать новые листы, а использовать отходы с различных мебельных или других производств. Мы сделали свое устройство из старой настенной кухонной панели, которую взяли бесплатно на мебельной фабрике. (Рис. 8.)
Рис. 8. Создание концентратора параболического типа
Преимущество параболического концентратора в том, что солнечные лучи сойдутся не в одну точку нагрева, а в отрезок, что лучше подходит для стерилизации продолговатых предметов, равномерного нагрева продуктов, подогрева трубок с водой.
Подробнее о том, как мы строили параболу указанно в Приложении 1. В дальнейшем можно будет создавать шаблон для печати на обычном принтере, но еще лучше использовать для каркаса биоразлагаемый пластик, которому был посвящен один из наших прошлых проектов. Это не только упростит задачу желающим помочь африканцам, но благоприятно скажется на окружающей среде.
Затраты на изготовление устройства: пленка стоимостью 80 руб., пластиковые хомуты стоимостью 218 руб., всего 298 руб. Оба принципа, минимальные затраты и простота сборки, соблюдены.
Создание солнечного концентратора из спутниковой тарелки
После массового перехода на цифровое ТВ люди стали выбрасывать ненужные спутниковые тарелки, чем очень вредят окружающей среде. Одну из таких тарелок мы и использовали для создания концентратора. Самая важная и дорогая часть — тарелка нам досталась бесплатно. Наши последователи так же могут использовать бывшие в употреблении тарелки — это бесплатно и сильно помогает очищать природу.
Тарелка сконструирована таким образом, чтобы отражать электромагнитные волны в одну точку, в которой и находится приемник, поэтому нам было максимально просто переделать ее — мы покрыли зеркальной пленкой очищенную поверхность. Более того, приемник тарелки уже находился в точке фокуса, поэтому на не нужно было ее искать. Крепления приемника можно в дальнейшем использовать для фиксации нагреваемых образцов. (Фото 9.)
Фото 9. Солнечный концентратор из спутниковой тарелки
Преимущества тарельчатой формы в том, что все лучи собираются в одной точке, а значит, нагревают ее до бо́льших температур. Такой тип отлично подойдет для небольших генераторов, дезинфекции небольших объектов, плавки алюминиевых банок, изготовления древесного угля, точечного нагрева объектов, дистилляции воды.
В дальнейшем можно упростить и удешевить производство, если использовать специальную зеркальную спрей-краску, но для одного образца это не рентабельно, поэтому мы остановились на пленке. Затраты на изготовление устройства — пленка стоимость 80 руб. Оба принципа, минимальные затраты и простота сборки, соблюдены.
Сравнение и оценка полезности прототипов концентраторов
В Таблице 1 приведен полный расчет стоимости всех образцов с указанием параметров оценки и комментариями по изготовлению. Как видно, наиболее дешевым и перспективным образцом является концентратор тарельчатого типа.
В Таблице 2 приведены Важные характеристики использования концентраторов. В данном исследовании мы выделяли важные параметры сравнительным способом. Например, мы пробовали разогреть воду в черной турке и в белой кружке. Оказалось, что в черной турке вода закипает значительно быстрее. Значит, цвет нагреваемой посуды — важный параметр. А вот день недели, в который проводили эксперимент — параметр совсем не важный.
Важны для сравнения концентраторов и иные параметры, они представлены в Таблице 2. Видно, что с увеличением площади зеркала увеличиваются и температура в фокусе, и скорость нагрева. Так же заметно, что один и тот же концентратор в Анапе дает больше мощности и больший нагрев, чем в Долгопрудном. Притом, этот эффект заметен на всех испытуемых образцах. Значит, широта, на которой используется концентратор — тоже важный параметр.
На основе Таблицы 2 составлена Диаграмма 1, с ее помощью возможно выбрать модель, оптимальную для выполнения определенных задач.
Таблица 1
Расчет стоимости образца
|
Модель |
Стоимость деталей |
Что можно удешевить и как? |
Итоговая стоимость нашего образца |
Стоимость инструментов и расходников |
Комментарии |
|
Концентратор из таза |
Пленка — 80 руб, таз — 550 руб, скотч- 130 руб, клапаны 340 руб, трубочки — 60 руб, шприц — 120 руб. |
Можно отказаться от системы клапанов и от накачки шприцом, заменить их на клапан как в надувном матрасе, а высасывать воздух легкими. Таз можно использовать бывший в употреблении. |
1060 руб |
Нам не понадобились никакие специфические инструменты, поэтому их стоимость учитывать не будем. Из расходников мы использовали клей для пластика, который и послужил герметиком. Стоит 215 рублей, но мы использовали не всю банку. |
Хоть и можно использовать бу таз, но очень сложно найти таз с ровным краем, а это принципиально важно. Если решить эту проблему, то возможно и такой образец станет доступным в производстве, но все равно потребует дальнейшего исследования. |
|
Концентратор Параболического типа |
Пленка — 80 руб, пластиковые хомуты стоимостью 218 руб. |
Можно отказаться от пластиковых хомутов и заменить их на клей, но они делают конструкцию разборной и быстросборной, что сильно добавляет удобства. Материал для стоек можно использовать бывший в употреблении, т. к. стойки нетребовательны к качеству материала. |
298 руб |
Электролобзик стоит 1500 руб, а обычный — 200 руб. Отвертки — 200 руб. ИЗ расходников мы использовали саморезы и брусочки, все это в небольшом количестве можно взять бесплатно на мебельной фабрике. Если покупать, то саморезы стоят меньше 1 руб за штуку. Стоимость биопластика необходимо считать отдельно. |
Хоть стойки и не требовательны к качеству материала, лучше всего производить их из биоразлагаемого пластика, чтобы как можно меньше загрязнять окружающую среду. Второй плюс производства из биопластика в том, что, как показывает наше прошлое исследование, его можно производить почти любой формы, а значит, можно сразу делать конструкцию с пазами шипами так, чтобы она собиралась без винтов и дополнительных инструментов, что еще упростит сборку и эксплуатацию. |
|
Концентратор тарельчатого типа |
Зеркальная пленка 80 руб. |
Если заменить пленку на специальный зеркальный спрей, то можно не только удешевить конструкцию, но и упростить сборку, что особенно актуально при массовом производстве. |
80 руб |
Нам не понадобились никакие специфические инструменты и расходники, поэтому их стоимость учитывать не будем. |
Т. к. концентратор данного типа показал себя, как наиболее перспективный, то имеет смысл задуматься над тем, как организовать массовый сбор спутниковых тарелок по примеру сбора стеклотары в СССР. А когда мы очистим окружающую среду от всех ненужных тарелок, то сможем производить концентраторы из биопластика. |
Таблица 2
Важные характеристики использования концентраторов
|
Характеристика |
Параболический концентратор |
Концентратор из солнечной тарелки (60см) |
Концентратор из солнечной тарелки (100 см) |
|
Площадь зеркала |
~ 4000 см 2 |
~ 3500 см 2 |
~ 35000 см 2 |
|
Фокусное расстояние |
35 см |
~ 40 см (Подбиралось экспериментально) |
~ 45 см (Подбиралось экспериментально) |
|
Температура в фокусе (г.Долгопрудный) |
110 ˚С |
124 ˚С |
195˚С |
|
Температура в фокусе(г.Анапа) |
125 ˚С |
133 ˚С |
285 ˚С |
|
Скорость нагрева образца (г.Анапа) |
4,3 сек/ ˚С |
3,5 сек/ ˚С |
2,8 сек/ ˚С |
|
Скорость нагрева образца (г.Долгопрудный) |
8,5 сек/ ˚С |
4,2 сек/ ˚С |
3,7 сек/ ˚С |
|
Мощность нагревателя |
116 Вт |
146 Вт |
176 Вт |
|
КПД |
12 % |
~15 % |
18 % |
|
Стоимость нашего изделия |
298 руб |
80 руб |
120 руб |
|
Простота изготовления |
Высокая |
Очень высокая |
Очень высокая |
|
Удобство транспортировки |
Среднее |
Ниже среднего |
Заметно ниже среднего |
|
Удобство использования |
Высокое. Присутствуют устойчивые ножки. Можно настраивать держатели для разных образцов произвольной формы. Малый вес, быстрое приведение в готовность. Сравнительно легко настроиться на солнце, легко ищется актуальный фокус. |
Высокое. В качестве ножек легко подходят подручные материалы, в комплекте присутствует держатель для образцов, который можно оснастить специальными разъёмами. Малый вес, сравнительно быстрое приведение в готовность. Сравнительно легко настроиться на солнце, сравнительно легко ищется актуальный фокус |
Выше среднего Большой вес и большие габариты, рекомендуется транспортировка в автомобиле или на тачке. Необходимо оснастить ножками, но можно использовать рельеф. Например, мы опирали тарелку на бетонный столбик в парке. В комплекте присутствует держатель для образцов, который можно оснастить специальными разъёмами. Сравнительно быстрое приведение в готовность. Сравнительно легко настроиться на солнце, сравнительно легко ищется актуальный фокус |
|
Доступность материалов для изготовления |
Очень высокая |
Высокая |
Сравнительно высокая |
|
Рекомендуемые цели применения |
Равномерный длительный прогрев. Приготовление пищи, нагрев воды. Прогрев большой площади. |
Концентрация энергии и тепла в одной точке. Стерилизация. Кипячение воды. Использование в паре с двигателями внешнего сгорания и генераторами. Переработка материалов. |
Концентрация энергии и тепла в одной точке. Стерилизация. Кипячение воды. Использование в паре с двигателями внешнего сгорания и генераторами. Переработка материалов. |
Оценка характеристик использования концентраторов
Проведение экспериментов по стерилизации различных объектов
Т. к. нашей задачей было не только исследовать, но и построить самый бюджетный вариант, то необходимо учесть и инструменты, которые нам понадобились. Конечно, некоторые из них можно заменить и другими, более дешевыми, но тогда производство займет больше времени. Например, стойки для параболы мы выпиливали электрическим лобзиком, но могли точно так же использовать и обычный лобзик или дешевую пилу.
– Оборудование: Электрический лобзик. Тип: Инструмент. Дешевый аналог: Ручной лобзик, пила. Для чего использовали: Выпиливали стойки для параболы.
– Оборудование: Линейка. Тип: Инструмент. Дешевый аналог: -. Для чего использовали: Чертили параболу, производили измерения.
– Оборудование: Нож. Тип: Инструмент. Дешевый аналог: -. Для чего использовали: Резали скотч, бумагу, трубки и пр. Проделывали отверстия, защищали соединения и стыки. Резали мясо.
– Оборудование: Ручки, карандаши, маркеры. Тип: Инструмент. Дешевый аналог: Можно было использовать один маркер для всех построений и разметок. Разметку можно осуществлять ножом. Вместо маркерной доски можно использовать меловую. Для чего использовали: Производили разметку, переносили чертежи, рисовали на маркерной доске то, над чем необходимо думать вдвоем сразу.
– Оборудование: Термометр. Тип: Инструмент. Дешевый аналог: Жидкостной термометр, металлический или биметаллический термометр. Для чего использовали: Измеряли температуру воды, температуру в точке фокуса.
– Оборудование: Секундомер. Тип: Измерительный прибор. Дешевый аналог: Секундомер дешевле смартфона, но смартфон есть в кармане у каждого и покупать его не нужно, поэтому мы пользовались смартфоном. Для чего использовали: Измеряли время закипания воды.
– Оборудование: Стерильные баночки. Тип: Исследуемый образец. Дешевый аналог: Многоразовые чашки Петри, б/у стеклянная посуда. Для чего использовали: Производили засев бактерий и сравнительный анализ.
– Оборудование: Стерильные салфетки. Тип: Исследуемый образец. Дешевый аналог: -. Для чего использовали: Брали пробы с исследуемых образов.
– Оборудование: Турка. Тип: Исследуемый образец. Дешевый аналог: Любой темный стакан, способный выдержать необходимую температуру. Для чего использовали: Кипятили воду. Для точности экспериментов было важно использовать один и тот же сосуд и то же самое количество воды в каждом опыте.
Чтобы оценить эффективность применения солнечных концентраторов, для повышения уровня жизни и здоровья жителей развивающихся стран, мы провели опыты, имитирующие несколько важных задач: кипячение воды, дезинфекция хирургического инструмента, обеззараживание многоразовых игл для шприцов, приготовление пищи. Эксперименты проводили только на концентраторах параболического и тарельчатого типа. Некоторые из экспериментов удалось провести и в г. Долгопрудном, и г. Анапе.
Для проведения опытов по стерилизации предметов нам пришлось приготовить питательную среду для бактерий (Приложение 2, п. 2.3) (Рис. 10), затем сымитировать проведение операций, разрезая ножом куски мяса, сымитировать инъекции, втыкая в мясо иглы от шприцов (Рис. 11), затем мы воткнули веточку в почву и протерли смартфон стерильной салфеткой (рис. 12).
Рис. 10. Приготовление питательной среды для бактерий
Рис. 11. Имитация проведения операций и инъекций.
Рис. 12. Имитация загрязнения от смартфона и земли
После чего засеяли бактерии с полученных образцов в стерильные баночки с питательным раствором, а обеззараживаемые предметы прокипятили на солнце в течение 10 минут. Затем повторили посев в новых стерильных банках. Оставили образцы в тепле на два дня и сравнили соответственные банки (Приложение 2, п.2.4). (Фото 13,14,15.)
Рис. 13. Посев бактерий в стерильную и нестерильную посуду
Рис. 14. Посев и развитие бактерий.
Фото 15. Посев и развитие бактерий.
Рис. 16. Нагрев продуктов и воспламенение предметов
Чтобы проверить возможность приготовления пищи и заготовки угля из хвороста, мы нагрели некоторые продукты питания солнечным лучом, воспламенили лист картона и тонкую ветку, расплавили кусочек темного пластика. (Приложение 2, п.2.5) (Рис. 16).
Также мы провели опыт по кипячению воды и, сняв все необходимые измерения, высчитали мощность нашего нагревателя, а затем и его КПД. (Таблица 3).
Таблица 3
Итоги расчета мощности и КПД установок
|
Источник нагрева |
Время нагрева до закипания |
Полезная теплота Q |
Температура нагрева |
Мощность нагревателя |
КПД |
Потери энергии |
|
Газовая плита |
1 мин 20 с |
37 кДж |
75˚С |
462,5 Вт |
- |
- |
|
Антенна в Анапе |
3 мин 30 с |
176 Вт |
18 % |
30 кДж |
||
|
Антенна в Долгопрудном |
4 мин 40 с |
132 Вт |
14 % |
32 КДж |
||
|
Парабола в Анапе |
5 мин 20 с |
116 Вт |
12 % |
33кДж |
||
|
Парабола в Долгопрудном |
10 мин 40 с |
58 Вт |
3 % |
36 кДж |
В данной таблице представлены результаты расчетов КПД наших концентраторов в разных географических широтах.
Выводы
После проведения измерений мы можем сделать следующие выводы:
– Мы изучили и систематизировали теоретические сведения. Получили знания о том, что такое тепловая энергия, как ее можно экологично получать и как использовать (Приложение 1 Таблица 1);
– Научились математически рассчитывать необходимые размеры параболической фигуры;
– Выявили параметры, влияющие на эффективность использования солнечного концентратора (Таблица 1);
– Построили прототипы солнечных концентраторов различных типов, экспериментально выявили их достоинства и недостатки, систематизировали важные параметры для оценки эффективности работы каждого, отсеяли те, которые не вносят большого вклада в КПД (Приложение 3 Таблица 1, Приложение 3 Диаграмма 1–3);
– С помощью энергии солнечных лучей, собранных в точке фокуса параболы, смогли простерилизовать различные предметы и подтвердить это в опытах с засевом бактерий на собственноручно приготовленную среду. Воспламенили различные материалы, чем доказали возможность приготовления пищи, переработки пластика, разведения огня, изготовления угля. Вскипятили воду, чем доказали возможность кипячения и дистилляции воды с помощью солнечной энергии. Вскипятив воду, вычислили мощность нагревателя параболического (
– Мы экспериментально выяснили какие параметры важны для решения поставленной задачи и систематизировали их в таблицу (Таблица 1);
– Оценили эффективность и экономическую целесообразность солнечных концентраторов для повышения уровня жизни жителей развивающихся стран.
Мы поняли, что существующие в настоящее время солнечные концентраторы актуальны для развивающихся стран при условии, что в этих странах достаточное количество безоблачных дней и нет катаклизмов, которые загрязнят зеркальные поверхности. Существующие концентраторы развиваются по пути усложнения и повышения мощности, используя для этого все больше дорогих технологических новинок, но это больше подходит для одиночного использования или для очень состоятельных граждан. Чтобы помочь нуждающимся, лучше выбрать достаточно оптимальную, но самую дешевую конструкцию и произвести таких аппаратов как можно больше. Мы видим дальнейшее развитие солнечной энергетики в этом направлении и сделали для этого то, что зависит от нас. Дополнительное преимущество создания солнечных концентраторов по нашему примеру заключается в использовании вторсырья и биоразлагаемого пластика, что очень полезно для окружающей среды.
Заключение
В ходе исследования мы изучили литературу, посетили выставки и получили знания о том, что такое парабола, какими свойствами обладает и как ее строить. Узнали, что такое солнечные концентраторы, как их использовать и как они могут помочь решать проблемы жителей развивающихся стран. Выявили важные параметры солнечных отражателей и систематизировали их в таблицу для будущих конструкторов. В ходе исследования мы создали несколько моделей, на которых проверили нашу гипотезу и провели серию экспериментов, подтверждающих, возможность совершения операций, повышающий уровень жизни жителей развивающихся стран.
Цель работы оценить возможности и эффективность применения солнечных концентраторов, изготовленных из переработанного сырья, для повышения уровня жизни и здоровья жителей развивающихся стран выполнена.
Гипотеза подтвердилась частично. Один из образцов не соответствует требуемым параметрам, но два других полностью отвечают необходимым требованиям простоты в сборке и эксплуатации, экономически и экологически оптимальны и при этом полностью выполняют поставленные задачи.
Мы планируем продолжить заниматься этой темой и в дальнейшем, когда будут доступны необходимые информационные и логистические ресурсы, повторим наши опыты уже в большем масштабе и на Африканском континенте, спасая жизни и повышая уровень здоровья местных жителей.
Литература:
- Рылев, Ю. 6000 изобретений XX и XXI веков, изменившие мир / Ю.Рылев. — М.: Эксмо, 2013. — 880 с.
- Согоконь А. Б., Зачем нужен концентратор солнечной энергии? или на что способен солнечный концентратор, УДК.662.997 / Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН. Журнал «Труды НПМП «Syneko»», Стр. 50–57.
- [Электронный ресурс] https://function-x.ru/curves_parabola.html
- [Электронный ресурс] https://youtu.be/4d9ffZxry24
- [Электронный ресурс]https://electrosam.ru/glavnaja/jelektroobustrojstvo/jelektroobogrev/solnechnye-kontsentratory/
- [Электронный ресурс] https://solarb.ru/sistem-obogreva-doma-solnechnoj-energiej
