Parabolic basket and tin can solar cooker/ko
이 프로젝트의 목적은 현지 침입종과 폐기물 로 태양열 조리기를 만드는 것입니다. 우리는 물을 저온 살균 하고 음식을 조리하는 데 화석 연료를 사용하는 것에 대한 대안이 될 수 있는 장치를 만들고 싶습니다 . 기술의 적절성을 평가하기 위한 기준은 다음과 같습니다. 현지 재료 사용, 효율성, 내구성, 사용 용이성, 건설 용이성, 비용, 환경에 미치는 영향, 문화/라이프스타일에 미치는 영향, 건설에 필요한 교육 또는 전문성.
전반적으로 성공적인 프로젝트였습니다. 우리는 물을 저온 살균한다는 목표를 달성할 수 있었습니다. 솔라 바스켓은 최적의 조건에서 약 1시간 안에 1쿼트 용기의 물을 저온 살균할 수 있습니다. 솔라 바스켓 버전 2.0을 만든다면 다음과 같은 몇 가지 변경 사항을 적용할 것입니다.
- 블랙베리 러너를 두 배로 늘려 바구니의 뼈대가 더 튼튼해지도록 합니다.
- 팜파스 그래스 대신 다른 재료를 사용하세요. 바구니 표면에 덩어리가 생기기 때문입니다. 좀 더 부드러운 재료를 사용하세요.
- 가장 빛나는 품질의 대형 캔 뚜껑을 모두 사용하세요
- 우리가 찾은 알루미늄과 와이어보다 덜 유연한 재료로 포물선 모양을 유지하는 링을 구성하십시오.
프로젝트 코디네이터: Bart Orlando
학생 엔지니어: Ginger Fletcher-Santillan 및 Ana Kolpin
내용물
문헌 검토
포물선형 태양열 조리기에 대한 일반 연구
포물선형 태양열 조리기는 연료가 필요 없는 음식을 준비하는 장치입니다 . 이 조리기는 태양 광선을 어두운 냄비나 팬을 사용하여 요리할 수 있는 한 초점에 집중시킵니다. 태양열 조리기를 사용하는 데에는 많은 장단점이 있습니다. 장점 중 일부는 다음과 같습니다. 연료가 거의 없는 곳에서 사용할 수 있고, 오염이 없으며, 포물선 모양의 외부가 뜨거워지지 않으며, 재활용 및 현지 재료 로 만들 수 있으며 , 작동 비용이 전혀 들지 않습니다. 단점은 다음과 같습니다. 요리할 수 있는 공간이 냄비 하나 크기만 하고, 맑은 날에만 요리할 수 있으며, 요리 시간이 기존 스토브나 오븐을 사용할 때보다 오래 걸릴 수 있으며, 태양이 이동함에 따라 조리기의 초점을 다시 맞춰야 할 수 있습니다. (Working Group on Development Techniques 1990)
포물선형 태양열 조리기는 연료가 필요 없기 때문에 전 세계 많은 개발도상국에서 불로 조리하는 것에 대한 대안이자 보완책으로 실험되고 있습니다. 인도에서 가정용으로 포물선형 태양열 조리기의 유용성을 평가하기 위한 연구가 수행되었습니다. 평가 기준에는 작동 용이성, 초기 비용, 교육 필요성, 미적 감각 및 전반적인 안전성이 포함되었습니다. 연구의 전반적인 결론은 포물선형 태양열 조리기의 유용성이 꽤 높지만 상용화하려면 "기술적, 행동적 및 상업적 측면에서 유용성이 개선되어야 한다"는 것입니다(Pohekar, Ramachandran 2006).
Solar Cooker Review 에 따르면 , 베트남의 한 남자가 현지 바구니로 만든 태양열 조리기를 생산하기 시작했습니다. 조리기는 단열재로 둘러싸인 분지가 현지 재료로 만든 바구니에 놓여 있는 것으로 구성되어 있습니다. 태양열 조리기는 1년에 2~3,000시간의 햇빛을 받는 베트남 중부와 북부 지방에 적합합니다(Solar Cooker Review 2000).
포물선과 포물면
3차원 포물선, 포물면은 태양열 조리기에 가장 효율적인 모양입니다. 상자형 태양열 오븐과 달리 포물선 모양은 포물선의 벽에 닿는 모든 빛이 반사되는 중앙 초점이 있습니다. 햇빛을 사용하면 열과 빛이 그 초점으로 반사되어 그 지점을 따뜻하게 합니다. 조리 용기는 초점에 위치해야 조리에 최대량의 열이 사용됩니다.
포물선의 일반 방정식은 다음과 같습니다.
와이=엑스2{\디스플레이스타일 y=x^{2}}
초점은 곡선(x, y) 상의 한 점을 취하여 다음 방정식에 넣어서 찾을 수 있습니다.
에이=엑스2/4와이{\디스플레이스타일 a=x^{2}/4y}
변수 a를 초점으로 삼았습니다(Stein, 1999).
히말라야 블랙베리
포물선형 태양열 조리기의 구조는 현지에서 침입하는 히말라야 블랙베리의 지팡이 또는 줄기로 만들어집니다. 지팡이는 수확되어 가시가 제거되어 포물선형 바구니 모양으로 엮을 수 있습니다.
히말라야 블랙베리, Rubus procerus는 1990년대 초에 유럽에서 미국으로 들어온 상록수입니다(Everett, 1981). 덩굴성 성장 패턴이 강하고 가시가 많습니다. 지팡이는 겨울철에 수확되므로 건조되고 튼튼하며 가시를 제거하고 관리하기가 더 쉽습니다. 히말라야 블랙베리 지팡이는 포물선 곡선을 형성하므로 건조되고 딱딱해지면 바구니의 튼튼한 포물선 모양을 유지합니다(그림 1).
그림 1: 히말라야 블랙베리 케인
그림 2: 아르카타 습지
그림 3: 포물선 모양의 블랙베리!
그림 4: 또 다른 블랙베리 덩굴
블랙베리는 극한 기후를 견뎌낼 수 없고 주로 봄철에 자라지만(Whatcom), 히말라야는 계절당 약 20~50피트의 빠른 성장 속도를 보여(Bailey, 1961) 퍼져서 지역을 점령합니다. 히말라야 블랙베리는 훔볼트 카운티의 침입성 비토착종이며, 캘리포니아 주 정부는 지역 및 주립 공원 전체에서 이 종을 제거하기 위한 자금을 지원했습니다(California Department of Parks and Recreation, 2005). 따라서 바구니를 위해 수확해도 해당 지역에 부정적인 환경 영향이 없습니다.
훔볼트 카운티 날씨
훔볼트 카운티의 맑은 날의 양은 지역 태양열 조리의 주요 불편 사항입니다. 유레카는 1년에 약 78일의 완전히 맑은 날이 있으며, 9월과 10월에 가장 많고 월 평균 6.5일의 맑은 날이 있습니다(Western Regional Climate Center). 대부분 날이 완전히 맑은 것은 아니지만, 정오에서 오후 초쯤에 무언가를 조리하기에 충분히 오래 맑아지는 부분적으로 흐린 날이 여전히 있습니다.
설계
재료 및 도구
그림 2: 바구니와 재료
그림 3: 팜파스 그라스
그림 4: 캔 뚜껑
그림 5: 자전거 내부 튜브
- 블랙베리 덩굴
- 팜파스 그라스
- 중고 자전거 내부 튜브
- 대마 꼬기
- 얇은 알루미늄 막대
- 철사
- 깡통 뚜껑
- 와이어 커터
- 장갑
- 두꺼운 손톱
- 망치
- 캔 오프너
- 가위
- 유틸리티 나이프
- 큰 내부 튜브
건설
모양과 구조
태양열 조리기의 모양을 알아내기 위해, 우리는 포물선의 곡선이 점 (2,2)를 지나도록 하고, 바구니의 정점인 상단 테두리의 지름이 약 5피트여야 한다고 결정했습니다. 그 지점을 지나는 포물선의 방정식을 찾기 위해 일반 포물선 방정식의 계수 a를 알아내야 했습니다.
와이=에이엑스2{\디스플레이스타일 y=ax^{2}}
계수 a를 구하기 위해 우리는 다음 방정식을 사용했습니다.
에이=와이/엑스2{\디스플레이스타일 a=y/x^{2}}
그리고 x와 y를 점 (2,2)로 대체했습니다.
에이=2/22{\디스플레이스타일 a=2/2^{2}}
우리에게 준 것
에이=.5{\디스플레이스타일 a=.5}
계수 값을 사용하여 방정식에 다른 x 값을 삽입할 수 있었습니다.
와이=.5엑스2{\디스플레이스타일 y=.5x^{2}}
그리고 해당 y 값을 찾으세요.
| 엑스 | 와이 |
|---|---|
| .5 | .125 |
| 1 | .5 |
| 1.5 | 1.125 |
| 2 | 2 |
| 2.5 | 3.125 |
우리는 그 점들을 좌표축에 표시하고, 그 점을 통과하는 선을 그어 원하는 포물선 곡선을 얻었습니다.
그 곡선을 이용해 블랙베리 덩굴을 그 포물선에 맞게 만들고, 휘어진 블랙베리 덩굴의 한쪽에서 다른 쪽으로 끈을 묶어 포물선 모양을 고정했습니다.
3차원 포물선 모양인 포물면을 만들기 위해, 우리는 모양이 있는 블랙베리 덩굴의 꼭짓점, 즉 중앙 바닥 지점을 사용한 자전거 내부 튜빙으로 묶었습니다. 자전거 내부 튜빙이 덩굴을 함께 고정하는 데 매우 효과적이었기 때문에, 우리는 바구니 대부분을 그렇게 짜면 될 것이라고 생각했습니다. 하지만 그렇게 하기 시작했을 때, 내부 튜빙이 블랙베리 덩굴에 너무 많은 힘을 가해 포물선 모양에서 벗어났습니다.
그림 3: 정점 래싱
그림 4: 치수 확인
그림 5: 치수 확인
그림 6: 내부 튜빙
그림 7: 조정하기
그림 8: 조정하기
우리는 짜임새가 촘촘할수록 덩굴이 모양에서 더 많이 벗어나는 것을 알아차렸고, 우리는 구조물을 지지하고 뒤틀리지 않도록 정점 위의 특정 지점에 큰 고리를 놓아야 한다고 결정했습니다. 처음에는 이런 고리에 다양한 크기의 훌라후프를 사용하는 것이 좋은 생각처럼 보였고, 그럴 수도 있었지만, 우리는 새 것을 사고 싶지 않았고 중고품을 찾을 수 없었습니다. 그런 다음 우리는 사용할 수 있는 것을 찾기 위해 폐금속 매장으로 갔고, 어떤 크기의 고리로든 모양을 잡기에 완벽한 길고 가벼운 알루미늄 막대를 찾았습니다. 막대와 함께 추가 지지대를 위해 두꺼운 와이어 고리 두 개를 만들었습니다.
그림 9: 금속 막대를 고리 모양으로 구부리기
그림 10: 막대 굽힘
그림 11: 굽힘 막대
그림 10: 지지대 부착
직조
블랙베리 덩굴에 금속 막대와 철사를 묶어 지지한 후, 팜파스 그래스를 덩굴 사이로 엮을 준비가 되었다고 생각했지만, 곧 블랙베리 덩굴 사이의 간격이 너무 멀어서 제대로 엮을 수 없다는 것을 깨달았습니다. 이를 해결하기 위해, 우리는 바구니의 윗 고리에서 정점까지 그리고 각 블랙베리 덩굴 사이에 자전거 내부 튜빙을 묶었습니다. 풀을 엮기 위해 만든 여분의 자리가 많은 도움이 되었지만, 한 번에 하나의 칼날만 엮었기 때문에 여전히 느리게 움직였습니다. 몇 번 시도해 본 후, 한 번에 한 줌의 팜파스 그래스를 똑같이 쉽게 엮을 수 있다는 것을 알게 되었고, 그래서 포물선형 태양열 조리기를 엮는 것을 마쳤습니다.
그림 10: 팜파스 그라스 짜기
그림 11: 가까이서 본 직조
그림 12: 팜파스 그라스 짜기
그림 13: 팜파스 그라스로 완전히 엮은 포물선형 조리대
반사 표면
포물선형 조리기에 필요한 반사면을 제공하기 위해 우리는 약 300개의 깡통 뚜껑을 모아 바구니 안쪽을 덮었습니다. 우리는 깡통 뚜껑에 구멍을 뚫어서 각각 8~10개의 뚜껑을 줄로 묶을 수 있었습니다. 그런 다음 우리는 대마 꼬기나 꼬임 끈을 사용하여 이 길이의 깡통 뚜껑을 바구니에 묶었습니다. 바구니에는 여전히 깡통 뚜껑으로 덮이지 않은 공간이 많았기 때문에, 우리는 큰 깡통 뚜껑을 여러 개 모아서 바구니에 개별적으로 부착했습니다.
그림 14: 캔 뚜껑 끈
그림 15: 캔 뚜껑 부착
그림 16: 캔 뚜껑 부착
그림 17: 더 많은 캔 뚜껑
테스트
포물선형 태양 조리기를 테스트하기 위해 먼저 바구니 내부의 초점이 어디에 있는지 추정해야 했습니다. 우리는 대부분의 빛이 정점에서 약 1-1.5피트 위 중앙으로 반사된다는 것을 발견했습니다. 바구니의 모양이 완벽하게 매끄럽지 않고 정확한 포물선 모양도 아니기 때문에 초점이 느슨하고 특정 지점이 아닌 일반적인 영역에 있습니다.
첫 번째 테스트에서 우리는 가능한 한 많은 빛을 흡수하기 위해 1갤런 피클 병을 검은색 페인트로 칠하고 물을 채웠습니다. 포물선형 조리기에 병을 넣었을 때, 우리는 병이 초점 영역에 놓이도록 용기로 받쳐 놓았습니다. 또한, 우리는 병 주위에 공기가 없는 공간을 만들어서 더 빨리 가열되고 차가운 바람으로부터 차단되도록 했습니다. 피클 병 위에 투명한 비닐 봉지를 놓았습니다. 우리는 오후 3시경부터 거의 2시간 동안 그 병을 설치했습니다. 우리가 멈췄을 때, 병 안의 물은 따뜻했습니다.
다음에 쿠커를 테스트할 때는 검은색으로 칠한 1쿼트 크기의 병을 사용하고 그 위에 투명한 피클 병을 올려서 공기가 없는 공간을 만들었습니다. 그날, 바람이 없는 따뜻하고 화창한 날 오전 11시 20분에 병을 세웠습니다. 1시간 후, 병 안의 물이 거품을 내기 시작했는데, 이는 저온 살균 온도를 넘어섰다는 것을 의미합니다. 약 2시간 30분 후, 1쿼트 병 안의 물이 끓기 시작했습니다. 두 번째 설정은 공기가 없는 공간을 만드는 더 나은 방법, 더 작은 병, 최적의 기상 조건이 있었기 때문에 더 성공적이었습니다.
결론
전반적으로 성공적인 프로젝트였습니다. 우리는 물을 저온 살균한다는 목표를 달성할 수 있었습니다. 태양열 바구니는 최적의 조건에서 약 1시간 안에 1쿼트 용기의 물을 저온 살균할 수 있습니다. 우리는 첫 번째 데모에서 반죽을 항아리 받침대로 사용되는 검은색 캔에 넣어 빵을 굽는 것을 시도했습니다. 빵이 부분적으로 구워졌습니다. 우리는 반죽을 캔 바닥이 아닌 캔 내부의 위쪽에 놓으면 장치가 빵을 완전히 구울 것이라고 믿습니다. 또한 캔을 검은색 항아리가 들어 있는 것과 같은 동심원 모양의 투명한 용기에 넣을 수 있다면 말입니다. 우리는 검은색 항아리에서 현미를 성공적으로 만들었습니다. 이 장치는 적합성에 대한 우리의 기준을 대부분 충족합니다. 충족하는 기준은 폐기물을 사용하고, 지역 재료를 사용하고, 환경에 부정적인 영향을 미치지 않으며, 제작 비용이 저렴하고 작동하기 쉽다는 것입니다. 단점은 재료를 모아서 실제 제작하는 데 시간이 걸리고, 캔 뚜껑이 거울처럼 마감 처리되지 않았고 완벽한 포물선 모양이 아니기 때문에 그다지 효율적이지 않습니다. 태양열 바구니에서 물을 가열하는 데 걸리는 시간을 고려하여 생활 방식을 조정하려면 확실히 시간이 걸릴 것입니다. 태양열 바구니가 깨끗한 물을 공급하는 유일한 수단이라면 미리 계획하는 것이 매우 중요할 것입니다. 태양열 바구니를 만드는 이 첫 번째 시도는 그렇게 내구성이 좋지 않을 수 있습니다. 캔 뚜껑은 해안 환경에서 2개월 이내에 녹슬었습니다. 그러나 사막 환경에서는 문제가 되지 않을 수 있습니다. 아마도 난민에게 보내는 물품이 담긴 캔은 녹슬지 않는 광택이 나는 금속으로 만들 수 있을 것입니다. 바구니는 튼튼하지만 알루미늄 밴드는 유연하여 시간이 지남에 따라 모양이 바뀔 수 있습니다. 바구니의 갈비뼈는 블랙베리 러너의 단일 길이에 불과하며 금이 가거나 부러질 가능성이 있습니다. 이 바구니를 만드는 데 많은 교육을 받을 필요는 없지만 포물선에 대해 어느 정도 알고 있으면 중요합니다. 우리는 대수와 미적분을 사용했고 수학 방정식을 사용할 수 있는 능력은 올바른 전체 바구니 모양에 대한 템플릿을 만들고 밴드 직경을 제한하는 데 큰 도움이 됩니다.
우리가 다르게 할 일
우리가 Solar Basket 버전 2.0을 만든다면 다음과 같은 몇 가지 변경을 할 것입니다.
- 블랙베리 러너를 두 배로 늘려 바구니의 뼈대가 더 튼튼해지도록 합니다.
- 팜파스풀은 바구니 표면에 덩어리를 형성하므로 팜파스풀 대신 다른 소재, 예를 들어 더 부드러운 소재를 사용하세요.
- 가장 빛나는 품질의 대형 캔 뚜껑을 모두 사용하세요
- 우리가 찾은 알루미늄과 와이어보다 덜 유연한 소재로 포물선 모양을 유지하는 고리를 만들어 보세요.
