How to make a small parabolic solar cooker (Jefferson Community Center)/ja
環境科学専攻の上級生ニック・ハーンとケビン・バークスは、ハンボルト郡における代替エネルギーの幅広い利用法を実証するために、小型のパラボリック ミラー クッカーを製作しています。これは、カリフォルニア州立工科大学ハンボルト校の2013 年春のENGR305クラスの一部であり、カリフォルニア州アルカタのジェファーソン コミュニティ センターに常設展示されます。パラボリック クッカーは、太陽エネルギーを利用して、それを直接原材料の調理プロセスに転送するように設計されています。これは、学生やスタッフの昼食やアクティビティ用の機能的なソーラー クッカーとして、また、コミュニティが楽しめる代替エネルギーの創造的な利用例としても役立ちます。
コンテンツ
導入
このプロジェクトに着手した当初、検討すべきデザインが 3 つあり、控えめに言っても圧倒されました。しかし幸運なことに、地元のソーラー クッカーの専門家であるBart Orlando氏の協力を得ることができました。最初に検討したデザインは、リサイクルされたレーダー アンテナをフレームとして使用するもので、2 つ目は折りたたみ式フレームを備えたポータブル パラボリック クッカー、3 つ目はリサイクルされたパパサン チェアをフレームとして使用するものでした。リサイクルされた椅子またはレーダー アンテナは、もともと放物線状の形状をしているため、使用を検討していました。
最も実現可能なデザインはパパサン チェアだと決めた後、次にチェアを覆う反射面の種類を決める必要がありました。マイラー コーティング、ステンレス スチール製の蛇口、または研磨されたアルミニウム製の蛇口の中から選択する必要がありました。プロジェクトの基準は耐久性と効率性に重点を置いているため、研磨されたアルミニウム シートを使用することにしました。研磨されたアルミニウム シートは反射性が高く、修理しても破れたり裂けたりしないほど耐久性があるからです。
0.025 インチの研磨されたアルミ板が届いたら、蛇口のデザインを決めなければなりませんでした。蛇口は椅子の外側を覆い、焦点に太陽光を反射する細い三角形です。蛇口の厚い方の端を 8 インチにし、反対側の端を 2 インチに切り詰めて、穴を開けてボルトですべての面を揃えられるようにすることにしました。
プロジェクトの反射椅子の側面が完成したら、三脚/グリルラックの設計に取り掛かりました。ラックシステムを椅子に直接取り付けることも考えましたが、適切な太陽の角度に常に調整する必要があるため、断念しました。代わりに、厚さ 1 インチの竹の棒 3 本を上部で締め付けたリサイクル自転車チューブで固定した三脚システムに落ち着きました。三脚の上部から 2 フィートのチェーンを吊り下げ、そのチェーンからさらに 2 フィートのチェーン 3 本を吊り下げました。この 3 本のチェーンをグリルラックに接続して、平らで操作しやすい調理面を作り、さまざまな鍋を載せることができました。調整とテストを重ね、ソーラークッカーを調整して紙を燃やしたり、お湯を沸かしたり、持続可能な調理方法の重要性についてコミュニティに啓蒙することができました。
問題の説明
このプロジェクトの目的は、持続可能な方法で太陽エネルギーを捕らえて使用する成功例となるパラボラミラー調理器を作成することです。私たちは、調理器を製作する最も効率的で効果的な方法を最初にテストし、次に最も環境に優しい建設技術を実装して調理器の製作を実現するという 2 つのステップでこれを実現する予定です。
プロジェクト評価基準
このプロジェクトの成功を評価するために、次の基準が使用されます。クライアントと協議した結果、次の基準がプロジェクトの成功に不可欠であると判断しました。1 ～ 10 のスケールは、記載されている各基準の重要性を示しています。
| 基準 | 制約 | 体重 （1-10） |
|---|---|---|
| 機能性 | 炊飯器は一定時間（約2時間）以内に最適温度（TBD）に達する必要があります。 | 10 |
| 使いやすさと安全性 | デザインはわかりやすく、子供に優しいものでなければならない | 8 |
| 教育的価値 | 調理器具は代替太陽熱暖房の威力を効果的に実証しなければならない | 6 |
| 配置と保管 | 調理器具は指定された保管エリア（約4フィート四方）に収まり、指定された二重扉を通過できる必要があります。 | 6 |
| サイズ | 機動性を維持しながら、比較的短時間で効率的に食品を調理できる大きさでなければならない | 7 |
| モビリティ | 炊飯器は1～2人で移動できる必要があります（車輪、ハンドル、軽量など）。 | 6 |
| 耐久性 | 子供の周りで何年も機能し、紫外線に耐えなければならない | 8 |
| 予算 | 予算の範囲内で行わなければならない | 8 |
| インスピレーション | 子供たちの想像力をうまく捉え、適切なテクノロジーに関するさらなる教育を求めるよう促します。 | 8 |
文献レビュー
形状
放物面と放物面について学ぶのはいつでも楽しいものです。放物面と放物面はユニークな形状をしており、非常に興味深い特性を持っています。放物面と放物面は、反射を利用して電波、光、さらには音波を 1 つの焦点に集める力を持っています。放物面は、曲線のユニークな形状によってこのユニークな特性を持っています。放物面の焦点を見つけるには、方程式 y = p * x^2 を使用する必要があります。ここで、p は定数、y は放物面の深さ、x は放物面の最大円周です。この方程式を使用して、放物面の中心から約 4.5 インチ上にある焦点を見つけることができました。
歴史
パラボリック ソーラー クッカーは、放物線状の反射面を使用して太陽の直接熱を捕らえるように設計された装置です。太陽光線を中央の 1 つの焦点に反射して 500 度を超える温度を作り出し、食品や水を加熱、調理、低温殺菌します。パラボリック ソーラー クッカーは、世界中の文明に何世紀も遡る歴史があります。ギリシャ人、アステカ人、古代中国人、古代ローマ人まで、どの文明にもそのバージョンがありました。太陽は、使用時に熱を発生させるために必要な唯一の燃料源であるため、作成が実用的で、操作と維持にかかる費用も安く、持続可能な調理の教育ツールとして最適です。
工事
アルミシートの面を測定してトレースする
Beverly Shear を使用してすべての面を切り取ります。このプロセスは、1 枚のスライスあたり数インチしか切断できないため、時間がかかります。
すべてのファセットの上部の角に取り付け穴を開けます。結束バンドが簡単に通れるように、直径は約 1/4 インチにしてください。ファセットの小さい方の端に 0.5 インチの穴を開け、アンカー ボルトを通せるようにします。
ファセットを椅子に置き、アンカーボルトを挿入します
アルミニウムを傷つけないように注意しながら、ファセットをゆっくりと広げます。注意: すべてのファセットがしっかりと固定されるまで、ピンクの保護プラスチックは付けたままにしておきます。
各コーナーに結束バンドを挿入し、パパサンチェアフレームの外側の竹の縁に取り付けます。
プラスチックを取り外して傷がないか検査します
三脚を組み立てます。3 本の竹の棒を束ね、片方の端に自転車のチューブを取り付けます。チューブをしっかりと固定されるまで折り重ねます。こうすることで、棒が三脚のように広がり、簡単に束の形に縮むようになります。
三脚の上部からチェーンを吊り下げ、ミニカラビナで白い金属格子を取り付けます。この格子は、さまざまな調理面を保持します。
煮て、煮て、燃やして！
メンテナンス手順
私たちはメンテナンスを念頭に置いてソーラークッカーを製作しています。私たちのモットーは、シンプルな構造はシンプルなメンテナンスを意味するということです。このプロジェクトには可動部品がほとんどないため、メンテナンスは簡単です。メンテナンスの主な懸念事項は、適切な保管と清掃です。使用する前には毎回、磨かれたアルミニウム製の蛇口を磨く必要があります。適切な保管をしないと、数年でクッカーが壊れる可能性があります。クッカーの主な部品は、結束バンド、チェーン、竹の棒です。すべて非常に安価で簡単に交換できます。元の蛇口の 1 つが損傷した場合に備えて、予備のアルミニウム製の蛇口も用意しています。また、寄付用の結束バンドも余分に用意しています。
提案されたタイムライン
これらは各目標の完了予定日です。
| プロジェクト | 開始 | 完了 |
|---|---|---|
| 設計完了 | 2月18日 | 2月26日 |
| 必要な材料をすべて入手する | 2月18日 | 3月5日 |
| 工事 | 3月5日 | 3月23日 |
| テスト | 3月23日 | 3月30日 |
| デモンストレーション | 4月2日 | 4月2日 |
| フォローアップ | 4月2日 | 5月14日 |
料金
ジェファーソンコミュニティセンターパラボリッククッカーの提案された分類可能な予算は次のとおりです。
| 量 | 材料 | ソース | 費用（ドル） | 合計（$） |
|---|---|---|---|---|
| 1 | パパサンチェア | ルームメイト | 寄付 | 0.00 |
| 4 | 長さ2フィートのステンレススチールチェーン | エースハードウェア | 2.51ドル/フィート | 21.74 |
| 1 | 調理実演用鍋 蓋付き | リサイクルショップ | 5.00 | 5.00 |
| 2 | 自転車のインナーチューブ | ガレージにある古い自転車のタイヤ | 見つかった | 0.00 |
| 〜10 | 各種コネクタ/結束バンド | エースハードウェア | 21.25 | 21.25 |
| 1 | 白い金属格子 | リサイクルショップ | 0.67 | 0.67 |
| 3 | 竹の棒 1インチ x 8フィート | マッドリバーガーデンサプライ | 2.69 | 8.68 |
| 1 | 反射アルミシート - 5' x 8' | AluMet Metal Supply（オンラインで注文） | 111.04 | 111.04 |
| 総費用 | 168.38ドル | |||
結論
テスト結果
調理器の製作直後、パラボラの有効性を判断するためにいくつかのテストが実施されました。
初期テスト
最初のテストは、焦点と思われる場所に小さな紙の束を置いて、それが発火するかどうかを調べるというものでした。約 30 秒間煙が出て焦げましたが、発火することはありませんでした。次に、竹の三脚から吊るした鍋に 1 パイントの水を入れました。約 20 分後、泡が見えましたが、沸騰は記録されませんでした。
微調整
皿を太陽にうまく向けるために、「鉛筆の影」というテクニックを採用しました。これは、鉛筆を調理器の中央にある固定ナットにねじ込むというものです。鉛筆を皿に対して垂直に突き出した状態で、鉛筆の影が簡単に見えるように、中央に穴の開いた紙をナットの周りに置きました。これにより、影が見えなくなるまで調理器を調整でき、調理器が太陽に直接向けられるようになりました。
最終テスト
パネルを徹底的に洗浄し、皿を太陽に直接向けた後、同じ 2 つのテストを再度実行しました。ソーダ缶ほどの大きさの茶色い紙の束を調理器の焦点に置くと、20 秒以内に火がつきました。これは、焦点の温度が少なくとも 451 度 F であったことを意味します。次に、同じ鍋に 1 パイントの水を入れましたが、沸騰するまでに 10 ～ 15 分かかりました。
将来のテスト
さらに、焦点温度を正確に測定するための赤外線温度計もテストに含まれます。また、フライパン、鍋、ダッチオーブンなど、さまざまな調理器具を試して、どの調理器具が最も効率的に食品や水を調理するかを判断します。
議論
最終テストの後、この調理器は華氏 450 度をはるかに超える温度を生成できると確信できます。調理器の焦点はソフトボールほどの大きさなので、小～中サイズのフライパンや鍋で調理するのが最も効率的です。調理面の最も重要な部分は、底面が黒色であることです。より明るい反射面は熱をあまり吸収しないため、食品はそれほど効率的に調理されません。このプロジェクトは非常に楽しく取り組むことができ、他の人に刺激を与え、教育することを楽しみにしています。
学んだ教訓
- 常に迷光に注意してください。迷光は火災の原因となる可能性があり、実際に発生します。皿が凹面であればあるほど、心配は少なくなります。
- 太陽光や反射材を扱うときは、必ず UV 保護眼鏡を着用してください。
- 黒い底の鍋を探してください。鍋の調理温度が大幅に上がります。ない場合は、鍋の底に黒いテンペラ塗料を塗ると非常に役立ちます。
- 必ず何かで覆うか逆さまにして保管してください。太陽の光で見つけられてしまう可能性があります。
- 太陽が空を横切るにつれて、絶え間ない調整が必要になる
- 風によりチェーンが揺れ、調理面の熱が奪われる可能性がある
- お子様がいる場合は必ず保護者の監督のもとで行ってください。
- 完璧な条件を見つけるのは難しい
- 太陽が頭の真上にあるとき（直射日光が当たるとき）に最も効果的です。
次のステップ
パラボリッククッカーは主にインスピレーションを与えるツールとして開発され、デモンストレーションや教育イベントで使用されます。
アルカタプラザ
できるだけ幅広い聴衆に知ってもらうために、アルカタ プラザで開催されるアルカタ ファーマーズ マーケットのイベントで、この調理器を展示する予定です。これらのデモンストレーションでは、調理器が実際に食材を調理したり、お湯を沸かしたりする様子を展示します。太陽エネルギーを使った調理に関する知識を広めるために、パンフレットや案内看板も用意します。さらに、放物線から漏れる明るい反射光から見物人を守るために、警告看板も用意します。
ジェファーソン コミュニティ センター
カリフォルニア州ユーレカのジェファーソン コミュニティ センターは、広場での数回のデモの後、パラボリック クッカーを恒久的に設置することに同意しました。センターでは、デモやセンターで開催されるコミュニティ イベントでこのクッカーを使用する予定です。このクッカーは、主にセンターの若者にインスピレーションを与えるツールとして使用され、将来の環境科学者に持続可能で再生可能なエネルギーへの関心を喚起します。
改良されたデザイン
製作の過程で、今後のプロジェクトで改善できる点がいくつかあることに気付きました。竹のパパサン チェアをフレームとして使用する代わりに、アルミのファセットを細いロープやコードで接続することができます。このコードは、各ファセットの上部の角に開けられた穴に通して引っ張り、ファセットの中央を外側に曲げて、独立したパラボラ アンテナを作成します。このモデルには、持ち運び可能で軽量、小型で旅行に最適ななど、さまざまな利点があります。
チーム
- ケビン・バークス -カリフォルニア・ポリテクニック大学ハンボルト校でエネルギーと気候に重点を置き、地理空間科学を副専攻する環境科学専攻4年生
- ニック・ハーン- カリフォルニア工科大学ハンボルト校でエネルギーと気候を専門とする環境科学専攻4年生
