L'objectif de ce projet est de créer un cuiseur solaire à partir d'espèces envahissantes locales et de déchets . Nous voulons créer un appareil capable de pasteuriser l'eau et constituer une alternative à l'utilisation de combustibles fossiles pour la cuisson des aliments . Nos critères d'évaluation de la pertinence de la technologie sont : l'utilisation de matériaux locaux, l'efficacité, la durabilité, la facilité d'utilisation, la facilité de construction, le coût, l'impact sur l'environnement, l'impact sur la culture/le mode de vie, l'éducation ou l'expertise nécessaire à la construction.
Dans l’ensemble, ce fut un projet réussi. Nous avons pu atteindre notre objectif de pasteuriser l’eau. Le panier solaire peut pasteuriser l'eau dans un récipient d'un litre en une heure environ dans des conditions optimales. Si nous devions créer la version 2.0 du panier solaire, voici quelques modifications que nous apporterions :
- Doublez les coureurs de mûres pour que les côtes du panier soient plus solides
- Utilisez un autre matériau à la place de l'herbe de la pampa, car cela provoque des grumeaux sur la surface du panier, peut-être quelque chose de plus doux.
- Utilisez tous les grands couvercles de canettes, de la qualité la plus brillante
- Construisez les anneaux qui maintiennent la forme parabolique dans un matériau moins flexible que l'aluminium et le fil que nous avons trouvés.
Coordinateur du projet : Bart Orlando
Élèves ingénieurs : Ginger Fletcher-Santillan et Ana Kolpin
Contenu
Revue de littérature
Recherche générale sur les cuiseurs solaires paraboliques
Les cuiseurs solaires paraboliques sont des appareils permettant de préparer des aliments sans carburant . Ils concentrent les rayons du soleil sur un point focal où une casserole ou une poêle sombre peut être utilisée pour cuisiner. L'utilisation d'un cuiseur solaire présente de nombreux avantages et inconvénients . Certains des avantages sont les suivants : ils peuvent être utilisés dans des endroits où il y a peu de carburant disponible, ils ne polluent pas, l'extérieur de la forme parabolique ne chauffe pas, ils peuvent être fabriqués à partir de matériaux recyclés et locaux et ils ne coûtent rien. n'importe quoi pour fonctionner. Certains inconvénients sont les suivants : la zone de cuisson n'est suffisante que pour une seule casserole, la cuisson ne peut être effectuée que les jours ensoleillés, le temps de cuisson peut prendre plus de temps que lors de l'utilisation d'une cuisinière ou d'un four conventionnel, la cuisinière peut devoir être recentrée en raison du soleil. changements. (Groupe de travail sur les techniques de développement 1990)
Étant donné que les cuiseurs solaires paraboliques ne nécessitent pas de combustible, ils sont expérimentés dans de nombreux pays en développement à travers le monde comme alternative et complément à la cuisson au feu. En Inde, une étude a été menée pour évaluer l’utilité des cuiseurs solaires paraboliques à usage domestique. Les critères d'évaluation comprenaient la facilité d'utilisation, le coût initial, le besoin de formation, l'esthétique et la sécurité globale. La conclusion générale de l'étude est que les cuiseurs solaires paraboliques ont une utilité assez élevée, mais que pour qu'ils soient commercialisés, "l'utilité sur les aspects techniques, comportementaux et commerciaux doit être améliorée". (Pohekar, Ramachandran 2006).
Selon le Solar Cooker Review , un homme au Vietnam a commencé à produire des cuiseurs solaires fabriqués à partir de paniers locaux. Les cuiseurs sont constitués d'un bassin entouré d'isolant placé dans un panier fabriqué à partir de matériaux locaux. Les cuiseurs solaires sont bien adaptés aux provinces du centre et du nord du Vietnam qui reçoivent 2 à 3 000 heures de soleil par an (Solar Cooker Review 2000).
Paraboles et paraboloïdes
La parabole tridimensionnelle, le paraboloïde, est la forme la plus efficace pour les cuiseurs solaires. Contrairement aux fours solaires en forme de boîte, la forme parabolique comporte un point focal central où toute lumière frappant les parois de la parabole s'y reflétera. En utilisant la lumière du soleil, la chaleur, ainsi que la lumière, se refléteront dans ce point focal et réchaufferont cet endroit. Le récipient de cuisson doit être situé au point focal afin que le maximum de chaleur soit utilisé pour la cuisson.
L'équation générale d'une parabole étant :
et=X2{\displaystyle y=x^{2}}
le point focal peut être trouvé en prenant un point sur la courbe (x, y) et en le mettant dans l'équation :
un=X2/4et{\displaystyle a=x^{2}/4y}
avec la variable a comme focus (Stein, 1999).
Mûre de l'Himalaya
La structure du cuiseur solaire parabolique sera fabriquée à partir de cannes, ou tiges, de mûres de l'Himalaya, localement envahissantes. Les cannes seront récoltées et épépineuses afin de pouvoir être tressées en forme de panier parabolique.
La mûre de l'Himalaya, Rubus procerus, est une plante à feuilles persistantes importée d'Europe aux États-Unis au début des années 90 (Everett, 1981). Il a une croissance vigoureuse et rampante et est fortement épineux. Puisque les cannes seront récoltées pendant les mois d’hiver, elles seront séchées, plus robustes et plus faciles à épépiner et à gérer. Les cannes de mûres de l'Himalaya forment des courbes paraboliques. Ainsi, lorsqu'elles sèchent et se raidissent, elles conservent la forme parabolique robuste du panier (Figure 1).
Fig 1 : Canne à mûre de l'Himalaya
Fig 2 : Marais d'Arcata
Fig 3 : Mûres paraboliques !
Fig 4 : Une autre vigne de mûre
Bien que les mûres ne puissent pas résister aux climats extrêmes et poussent principalement au printemps (Whatcom), l'Himalaya a un taux de croissance rapide d'environ 20 à 50 pieds par saison (Bailey, 1961), ce qui l'amène à se propager et à envahir certaines zones. La mûre de l'Himalaya est une espèce envahissante non indigène du comté de Humboldt, et le gouvernement de l'État de Californie a fourni des fonds pour l'élimination de l'espèce dans les parcs régionaux et nationaux (Département des parcs et des loisirs de Californie, 2005), de sorte que leur récolte pour le panier n’aura pas d’impact environnemental négatif sur la région.
Météo à Comté de Humboldt
Le nombre de jours clairs dans le comté de Humboldt constitue le principal inconvénient de la cuisson solaire locale. Eureka a environ 78 jours complètement clairs par an, avec un maximum en septembre et octobre et une moyenne mensuelle de 6,5 jours clairs (Centre climatique régional de l'Ouest). Bien que la plupart des jours ne soient pas complètement clairs, il y a encore des jours partiellement nuageux où le ciel s'éclaircit suffisamment longtemps pour pouvoir cuisiner quelque chose vers midi ou en début d'après-midi.
Conception
Matériaux et outils
Fig 2 : Panier et matériaux
Fig 3 : herbe de la pampa
Fig 4 : Couvercles de canettes
Fig 5 : Chambres à air de vélo
- Vignes de mûres
- Herbe de la pampa
- Chambres à air vélo d'occasion
- Ficelle de chanvre
- Tiges fines en aluminium
- Fil
- Couvercles de boîtes de conserve
- Pinces coupantes
- Gants
- Ongle épais
- Marteau
- Ouvre-boîte
- Ciseaux
- Couteau tout usage
- Grande chambre à air
Construction
Forme et structure
Pour déterminer la forme de notre cuiseur solaire, nous avons décidé que nous voulions que la courbe de la parabole passe par le point (2,2) et que le sommet du panier, le bord supérieur, devrait avoir un diamètre d'environ 5 pieds. . Afin de trouver l’équation de la parabole qui passerait par ce point, nous devions déterminer le coefficient a de l’équation parabolique générale,
et=unX2{\displaystyle y=ax^{2}}
Pour trouver le coefficient a, nous avons utilisé l’équation
un=et/X2{\displaystyle a=y/x^{2}}
et remplacé le x et le y par le point (2,2)
un=2/22{\displaystyle a=2/2^{2}}
ce qui nous a donné
un=.5{\displaystyle a=.5}
Avec la valeur du coefficient, nous avons ensuite pu insérer différentes valeurs de x dans l'équation
et=.5X2{\displaystyle y=.5x^{2}}
et trouvez les valeurs y correspondantes.
| X | et |
|---|---|
| .5 | .125 |
| 1 | .5 |
| 1.5 | 1.125 |
| 2 | 2 |
| 2.5 | 3.125 |
Nous avons tracé ces points sur notre axe de coordonnées et tracé une ligne les traversant pour nous donner la courbe parabolique que nous souhaitions.
En utilisant cette courbe, nous avons façonné les vignes de mûres pour qu'elles s'adaptent à cette parabole et avons attaché une ficelle d'un côté à l'autre de la vigne de mûres incurvée afin de restreindre la forme parabolique.
Afin de créer la forme parabolique tridimensionnelle, le paraboloïde, nous avons attaché les sommets, le point central inférieur, des vignes de mûres en forme avec des chambres à air de vélo usagées. Étant donné que la chambre à air du vélo fonctionnait si bien pour maintenir les vignes ensemble, nous avons pensé que cela fonctionnerait en tissant la majeure partie du panier de cette façon. Cependant, lorsque nous avons commencé à faire cela, le tube intérieur a créé trop de force sur les vignes de mûres et les a fait sortir de leur forme parabolique.
Fig 3 : arrimage du sommet
Fig 4 : vérification des dimensions
Fig 5 : vérification des dimensions
Fig 6 : chambre à air
Fig 7 : effectuer les réglages
Fig 8 : effectuer les réglages
Comme nous avons remarqué que plus le tissage était serré, plus les vignes se déformaient, nous avons décidé que nous avions besoin de grands anneaux placés à certains points au-dessus du sommet pour soutenir la structure et l'empêcher de se déformer. Au début, différentes tailles de cerceaux semblaient être une bonne idée pour ces anneaux, et ils auraient pu fonctionner, mais nous ne voulions pas en acheter de nouveaux et nous n'en trouvions pas d'occasion. Ensuite, nous sommes allés au parc à ferraille à la recherche de quelque chose que nous pourrions utiliser et nous avons trouvé de longues tiges d'aluminium légères, parfaites pour façonner des anneaux de toutes tailles. Avec les tiges, nous avons fabriqué quelques anneaux de fil épais pour un support supplémentaire.
Fig 9 : Pliage de tiges métalliques pour former des cerceaux
Fig 10 : Cintrage des tiges
Fig 11 : Cintrage des tiges
Fig 10 : Fixation des arceaux de support
Tissage
Après avoir attaché les tiges métalliques et le fil sur les vignes de mûres pour les soutenir, nous pensions être prêts à tisser l'herbe de la Pampa à travers les vignes, mais nous avons vite réalisé que les espaces entre nos vignes de mûres étaient trop éloignés pour que nous puissions créer un bon tissage. Pour résoudre ce problème, nous avons attaché des longueurs de chambre à air de vélo depuis l'anneau supérieur de notre panier jusqu'au sommet et entre chacune des vignes de mûres. Ces endroits supplémentaires que nous avons créés pour tisser l'herbe ont beaucoup aidé, mais le mouvement était encore lent puisque nous ne tissais qu'une lame à la fois. Après quelques essais, nous avons découvert que nous pouvions tisser tout aussi facilement des poignées d’herbe de la Pampa à la fois. C’est ainsi que nous avons terminé le tissage de notre cuiseur solaire parabolique.
Fig 10 : Tissage de l'herbe de la pampa
Fig 11 : Tissage en gros plan
Fig 12 : Tissage de l'herbe de la pampa
Fig 13 : Cuiseur parabolique entièrement tressé avec de l'herbe de la pampa
Surface réfléchissante
Pour donner au cuiseur parabolique sa surface réfléchissante nécessaire , nous avons rassemblé environ 300 couvercles de boîtes de conserve pour tapisser l'intérieur du panier. Nous avons percé des trous dans les couvercles des boîtes afin de pouvoir les enchaîner en lignes de 8 à 10 couvercles chacune. Ensuite, nous avons attaché ces longueurs de couvercles de boîtes de conserve au panier à l'aide de ficelle de chanvre ou d'attaches torsadées. Comme il restait encore de nombreux espaces sur le panier non couverts par les couvercles de boîtes de conserve, nous avons rassemblé un tas de grands couvercles de boîtes de conserve et les avons fixés individuellement au panier.
Fig 14 : Ficelle du couvercle de la boîte de conserve
Fig 15 : Fixation des couvercles de boîtes de conserve
Fig 16 : Fixation des couvercles de boîtes de conserve
Fig 17 : Plus de couvercles de boîtes de conserve
Essai
Pour tester notre cuiseur solaire parabolique, nous avons d'abord dû estimer l'endroit où se trouve le point focal à l'intérieur du panier. Nous avons constaté que la majeure partie de la lumière se reflète vers le centre, à environ 1 à 1,5 pieds au-dessus du sommet. Étant donné que la forme de notre panier n'est pas parfaitement lisse ni une forme parabolique exacte, la mise au point est lâche et concerne davantage une zone générale que un point spécifique.
Lors de notre premier test, nous avons peint un pot de cornichon d'un gallon avec de la peinture noire afin d'absorber autant de lumière que possible et l'avons rempli d'eau. Lorsque nous avons placé le pot dans le cuiseur parabolique, nous l'avons soutenu avec un récipient afin que le pot repose dans la zone focale. De plus, nous avons créé un espace d'air mort autour du pot, lui permettant de chauffer plus rapidement et de le protéger du vent froid, en plaçant un sac en plastique transparent sur le pot de cornichons. Nous avons installé ce pot pendant près de deux heures à partir de 15 heures environ. Lorsque nous nous sommes arrêtés, l’eau dans le pot était tiède.
La prochaine fois que nous avons testé la cuisinière, nous avons utilisé un pot d'un litre peint en noir et avons créé un espace d'air mort en plaçant un pot de cornichon transparent dessus. Ce jour-là, nous avons installé le pot à 11h20 par une journée chaude et ensoleillée sans vent. Au bout d’une heure, l’eau à l’intérieur du pot commençait à bouillonner, ce qui signifiait que nous dépassions la température de pasteurisation. Après environ deux heures et demie, l’eau dans le pot d’un litre était à forte ébullition. Cette deuxième configuration a été plus efficace car nous disposions d'un meilleur moyen de créer un espace d'air mort, un pot plus petit et des conditions météorologiques optimales.
Conclusion
Dans l’ensemble, ce fut un projet réussi. Nous avons pu atteindre notre objectif de pasteuriser l’eau. Le panier solaire peut pasteuriser l'eau dans un récipient d'un litre en une heure environ dans des conditions optimales. Nous avons essayé de faire du pain dans notre première démo en plaçant la pâte dans la boîte noire utilisée comme socle de pot. Le pain partiellement cuit. Nous pensons que l'appareil permettra de cuire complètement le pain en positionnant la pâte près du haut de l'intérieur de la boîte plutôt qu'à sa base. Aussi, si la canette pouvait être placée dans un récipient concentrique et transparent comme celui contenant le pot noir. Nous avons réussi à préparer du riz brun dans le pot noir. L'appareil répond à la plupart de nos critères de pertinence. Les critères auxquels il répond sont qu'il utilise des déchets, qu'il utilise des matériaux locaux, qu'il n'a pas d'impact négatif sur l'environnement, qu'il est peu coûteux à construire et facile à utiliser. Par contre, il faut un certain temps pour rassembler les matériaux et réaliser la construction proprement dite, ce n'est pas exceptionnellement efficace car les couvercles des boîtes n'ont pas de finition miroir et n'ont pas une forme parabolique parfaite. Il faudrait certainement un certain temps pour adapter votre style de vie afin de prendre en compte le temps nécessaire pour chauffer l'eau dans le panier solaire. Si le panier solaire vous fournissait votre seul moyen d’avoir de l’eau propre, il serait très important de planifier à l’avance. Cette première tentative de création d’un panier solaire pourrait ne pas s’avérer si durable. Les couvercles des boîtes de conserve ont rouillé en deux mois dans notre environnement côtier. Cependant, cela ne pose peut-être pas de problème dans un environnement désertique. Peut-être que les boîtes contenant des fournitures envoyées aux réfugiés pourraient être fabriquées en métal poli qui ne rouille pas. Le panier est solide, mais les bandes d'aluminium sont flexibles et peuvent se déformer avec le temps. Les nervures du panier ne sont que des longueurs simples de coureur de mûre et elles peuvent se fissurer ou se casser. Il n’est pas nécessaire d’avoir beaucoup d’éducation pour construire ce panier, mais il serait important d’avoir une certaine familiarité avec les paraboles. Nous avons utilisé un peu d'algèbre et de calcul, et la possibilité d'utiliser des équations mathématiques aide grandement à créer des modèles pour la forme globale correcte du panier et les diamètres de bande contraignants.
Ce que nous ferions différemment
Si nous devions créer la version 2.0 du panier solaire, voici quelques modifications que nous apporterions :
- Doublez les coureurs de mûres pour que les côtes du panier soient plus solides
- Utilisez un autre matériau à la place de l'herbe de la pampa, car cela provoque des grumeaux sur la surface du panier, peut-être quelque chose de plus mou.
- Utilisez tous les grands couvercles de canettes, de la qualité la plus brillante
- Construisez les anneaux qui maintiennent la forme parabolique dans un matériau moins flexible que l'aluminium et le fil que nous avons trouvés.
