O objetivo deste projeto é criar um fogão solar a partir de espécies invasoras locais e resíduos . Queremos criar um aparelho que pasteurize a água e seja uma alternativa ao uso de combustíveis fósseis para cozinhar alimentos . Nossos critérios para avaliar a adequação da tecnologia são: uso de materiais locais, eficiência, durabilidade, facilidade de uso, facilidade de construção, custo, impacto no meio ambiente, impacto na cultura/estilo de vida, educação ou conhecimento necessário para a construção.
No geral, este foi um projeto bem-sucedido. Conseguimos cumprir nossa meta de pasteurizar a água. A cesta solar pode pasteurizar a água em um recipiente de um quarto em cerca de uma hora com condições ideais. Se fôssemos fazer a cesta solar versão 2.0, aqui estão algumas mudanças que faríamos:
- Dobre os corredores de amora para que as costelas da cesta fiquem mais fortes
- Use outro material no lugar do capim-dos-campos porque causa caroços na superfície da cesta, talvez algo mais macio
- Use todas as tampas de latas grandes, da qualidade mais brilhante
- Construa os anéis que mantêm a forma parabólica de um material menos flexível que o alumínio e o fio que encontramos
Coordenador do Projeto: Bart Orlando
Estudantes de engenharia: Ginger Fletcher-Santillan e Ana Kolpin
Índice
Literature Review
General Research on Parabolic Solar Cookers
Fogões solares parabólicos são aparelhos para preparo de alimentos que não necessitam de combustível . Eles concentram os raios do sol em um ponto focal onde uma panela ou frigideira escura pode ser usada para cozinhar. Existem muitas vantagens e desvantagens em usar um solar fogão . Algumas das vantagens são: podem ser usados em locais onde há pouco combustível disponível, não poluem, o exterior da forma parabólica não esquenta, podem ser feitos de reciclados e locais materiais e não custam caro qualquer coisa para operar. Algumas desvantagens são: a área para cozinhar é grande o suficiente para apenas uma panela, o cozimento só pode ser feito em dias ensolarados, o tempo de cozimento pode demorar mais do que em um fogão ou forno convencional, o fogão pode precisar ser refogado conforme o sol turnos. (Grupo de Trabalho sobre Técnicas de Desenvolvimento 1990)
Como os fogões solares parabólicos não requerem combustível, eles estão sendo experimentados em muitos países em desenvolvimento ao redor do mundo como uma alternativa e um complemento para cozinhar com fogo. Na Índia, foi realizado um estudo para avaliar a utilidade dos fogões solares parabólicos no uso doméstico. Os critérios para a avaliação incluíram facilidade de operação, custo inicial, necessidade de treinamento, estética e segurança geral. A conclusão geral do estudo foi que o fogão solar parabólico tem uma utilidade bastante alta, mas para que possam ser comercializados, "A utilidade em aspectos técnicos, comportamentais e comerciais deve ser melhorada." (Pohekar, Ramachandran 2006).
De acordo com a Solar Cooker Review , um homem no Vietnã começou a produzir fogões solares feitos de cestas locais. Os fogões consistem em uma bacia cercada por isolamento colocado em uma cesta feita de materiais locais. Os fogões solares são adequados para as províncias centrais e do norte do Vietnã, que recebem de 2 a 3.000 horas de luz solar por ano (Solar Cooker Review 2000).
Parabolas and Paraboloids
A parábola tridimensional, o parabolóide, é a forma mais eficiente para fogões solares. Ao contrário dos fornos solares de caixa, a forma parabólica tem um ponto focal central onde qualquer luz que atinja as paredes da parábola será refletida nela. Usando a luz solar, o calor, junto com a luz, refletirá naquele ponto focal e aquecerá esse ponto. O recipiente de cozimento deve estar localizado no ponto focal para que a quantidade máxima de calor seja usada para cozinhar.
Com a equação geral para uma parábola sendo:
Y = x 2 {\displaystyle y=x^{2}}
o ponto focal pode ser encontrado tomando um ponto na curva, (x, y) e colocando-o na equação:
uma = x 2 / 4 Y {\displaystyle a=x^{2}/4y}
tendo como foco a variável a (Stein, 1999).
Himalaya Blackberry
A estrutura do fogão solar parabólico será feita de canas, ou caules, da amora-preta localmente invasiva do Himalaia. As canas serão colhidas e desfolhadas para que possam ser tecidas em forma de cesta parabólica.
A amora-preta do Himalaia, Rubus procerus, é uma planta perene que foi trazida da Europa para os Estados Unidos no início dos anos 90 (Everett, 1981). Tem um padrão de crescimento vigoroso e é fortemente espinhoso. Como as canas serão colhidas durante os meses de inverno, elas estarão secas, mais resistentes e mais fáceis de desfolhar e manejar. As hastes de amora-preta do Himalaia formam curvas parabólicas, portanto, quando secam e endurecem, mantêm a robusta forma parabólica da cesta (Figura 1).
Fig 1: cana de amora do Himalaia
Fig 2: Pântano de Arcata
Fig 3: Amoras Parabólicas!
Fig 4: Outra videira de amora
Embora as amoras não resistam a climas extremos e cresçam principalmente durante a primavera (Whatcom), o Himalaia tem uma taxa de crescimento rápido de cerca de 20 a 50 pés por estação (Bailey, 1961), fazendo com que se espalhe e ocupe áreas. A amora-preta do Himalaia é uma espécie invasora não nativa do Condado de Humboldt, e o governo do estado da Califórnia forneceu fundos para a remoção da espécie em parques regionais e estaduais (Departamento de Parques e Recreação da Califórnia, 2005). não ter um impacto ambiental negativo na área.
Humboldt County Weather
A quantidade de dias claros no Condado de Humboldt é o maior inconveniente do cozimento solar local. Eureka tem cerca de 78 dias completamente claros por ano, com o máximo durante setembro e outubro e uma média mensal de 6,5 dias claros (Western Regional Climate Center). Embora a maioria dos dias não seja completamente clara, ainda há dias parcialmente nublados em que clareará o tempo suficiente para cozinhar algo por volta do meio-dia até o início da tarde.
Design
Materiais e Ferramentas
Fig 2: Cesto e materiais
Fig 3: Grama dos pampas
Fig 4: Tampas de latas
Fig 5: Câmaras de ar da bicicleta
- vinhas de amoras
- grama dos pampas
- Câmaras de ar de bicicleta usadas
- fio de cânhamo
- Hastes finas de alumínio
- Arame
- tampas de lata
- Cortadores de fio
- Luvas
- unha grossa
- Martelo
- Abridor de lata
- Tesoura
- faca utilitária
- Grande tubo interno
Construction
Shape and Structure
Para descobrir a forma do nosso fogão solar, decidimos que queríamos que a curva da parábola passasse pelo ponto (2,2) e que o ápice da cesta, a borda superior, deveria ter um diâmetro de cerca de 5 pés . Para encontrar a equação da parábola que passaria por esse ponto, precisávamos descobrir o coeficiente, a, da equação parabólica geral,
Y = uma x 2 {\displaystyle y=ax^{2}}
Para encontrar o coeficiente, a, usamos a equação
uma = Y / x 2 {\displaystyle a=y/x^{2}}
e troquei x e y pelo ponto (2,2)
uma = 2 / 2 2 {\displaystyle a=2/2^{2}}
que nos deu
uma = .5 {\displaystyle a=.5}
Com o valor do coeficiente, pudemos inserir diferentes valores de x na equação
Y = .5 x 2 {\displaystyle y=.5x^{2}}
e encontre os valores de y correspondentes.
| x | Y |
|---|---|
| .5 | .125 |
| 1 | .5 |
| 1.5 | 1.125 |
| 2 | 2 |
| 2.5 | 3.125 |
Traçamos esses pontos em nosso eixo de coordenadas e desenhamos uma linha através deles para nos dar a curva parabólica que queríamos.
Usando essa curva, moldamos as videiras de amora para caber nessa parábola e amarramos o barbante de um lado da videira de amora curva ao outro para restringir a forma parabólica.
A fim de criar a forma parabólica tridimensional, o parabolóide, amarramos os vértices, o ponto central inferior, das videiras de amora em forma junto com o tubo interno da bicicleta usado. Como o tubo interno da bicicleta funcionou tão bem para manter as vinhas juntas, pensamos que funcionaria para tecer a maior parte da cesta assim. No entanto, quando começamos a fazer isso, o tubo interno criou muita força nas vinhas de amora e as moveu para fora da forma parabólica.
Fig 3: amarração de vértice
Fig 4: verificando as dimensões
Fig 5: verificando as dimensões
Fig 6: tubulação interna
Fig 7: fazendo ajustes
Fig 8: fazendo ajustes
Como percebemos que quanto mais apertada a trama mais as trepadeiras se deslocavam, decidimos que precisávamos de grandes anéis colocados em determinados pontos acima do vértice para dar suporte à estrutura e evitar que ela se deformasse. Diferentes tamanhos de bambolês pareciam uma boa ideia para esses anéis no início, e eles poderiam ter funcionado, mas não queríamos comprar novos e não conseguimos encontrar nenhum usado. Depois fomos ao depósito de sucata em busca de algo que pudéssemos usar e encontramos hastes de alumínio longas e leves, perfeitas para moldar anéis de qualquer tamanho. Junto com as hastes, fizemos alguns anéis de arame grosso para suporte adicional.
Fig 9: Dobrando hastes de metal em aros
Fig 10: Hastes de dobra
Fig 11: Hastes de dobra
Fig 10: Fixação dos aros de suporte
Weaving
Depois de amarrar as hastes de metal e o arame nas videiras de amora para dar suporte, pensamos que estávamos prontos para tecer a grama dos Pampas através das videiras, mas logo percebemos que as lacunas entre nossas videiras de amora estavam muito distantes para criarmos uma boa trama. Para consertar isso, amarramos pedaços de tubo interno de bicicleta do anel superior de nossa cesta até o vértice e entre cada uma das videiras de amora. Aqueles pontos extras que criamos para tecer a grama ajudaram muito, mas ainda era lento, pois estávamos tecendo apenas uma lâmina de cada vez. Depois de algumas tentativas, descobrimos que poderíamos tecer punhados de capim dos pampas de uma vez com a mesma facilidade, e foi assim que terminamos de tecer nosso fogão solar parabólico.
Fig 10: Tecendo capim dos pampas
Fig 11: Costure de perto
Fig 12: Tecendo capim dos pampas
Fig 13: Fogão parabólico totalmente tecido com capim dos pampas
Reflective Surface
Para dar ao fogão parabólico a superfície reflexiva necessária , reunimos cerca de 300 tampas de latas para forrar o interior da cesta. Fizemos furos nas tampas das latas para que pudéssemos amarrá-los em linhas de 8 a 10 tampas cada. Em seguida, amarramos esses comprimentos de tampas de lata à cesta usando barbante de cânhamo ou laços torcidos. Como ainda havia muitos espaços na cesta descobertos por tampas de latas, reunimos um monte de tampas de latas grandes e as prendemos individualmente à cesta.
Fig 14: Cordão da tampa da lata
Fig 15: Fixação das tampas das latas
Fig 16: Fixação das tampas das latas
Fig 17: Mais tampas de latas
Testing
Para testar nosso fogão solar parabólico, primeiro tivemos que estimar onde o ponto focal está dentro da cesta. Descobrimos que a maior parte da luz reflete para o centro a cerca de 1-1,5 pés acima do vértice. Como a forma de nossa cesta não é perfeitamente lisa nem é uma forma parabólica exata, o foco é solto e está mais em uma área geral do que em um ponto específico.
Em nosso primeiro teste, pintamos um pote de picles de um galão com tinta preta para absorver o máximo de luz possível e o enchemos de água. Quando colocamos a jarra no fogão parabólico, nós a colocamos em um recipiente para que a jarra fique na área focal. Além disso, criamos um espaço de ar morto ao redor do pote, permitindo que ele aqueça mais rápido e proteja-o do vento frio, colocando um saco plástico transparente sobre o pote de picles. Mantivemos aquela jarra montada por quase duas horas, começando por volta das 15h. Quando paramos, a água da jarra estava morna.
Na próxima vez que testamos o fogão, usamos uma jarra do tamanho de um quarto pintada de preto e criamos um espaço de ar morto colocando uma jarra de picles transparente sobre ela. Naquele dia, montamos a jarra às 11h20 em um dia quente e ensolarado sem vento. Depois de uma hora, a água dentro da jarra começou a borbulhar, significando que superamos a temperatura de pasteurização. Após cerca de duas horas e meia, a água na jarra estava fervendo. Essa segunda configuração foi mais bem-sucedida, pois tínhamos uma maneira melhor de criar um espaço de ar morto, um frasco menor e condições climáticas ideais.
Conclusion
No geral, este foi um projeto bem-sucedido. Conseguimos cumprir nossa meta de pasteurizar a água. A cesta solar pode pasteurizar a água em um recipiente de um quarto em cerca de uma hora com condições ideais. Tentamos assar pão em nossa primeira demonstração colocando a massa na lata preta usada como pedestal de jarra. O pão parcialmente assado. Acreditamos que o dispositivo assará o pão completamente posicionando a massa perto do topo da parte interna da lata, e não em sua base. Além disso, se a lata pudesse ser colocada em um recipiente concêntrico e transparente como o que contém o frasco preto. Fizemos arroz integral com sucesso na jarra preta. O dispositivo atende a maioria dos nossos critérios de adequação. Os critérios que ele atende são que ele faz uso de materiais residuais, usa materiais locais, não impacta negativamente o meio ambiente, é barato de construir e fácil de operar. No lado negativo, demora um pouco para reunir os materiais e fazer a construção propriamente dita, não é excepcionalmente eficiente devido às tampas das latas não terem acabamento espelhado e não terem um formato parabólico perfeito. Definitivamente, levaria algum tempo para ajustar seu estilo de vida para levar em consideração o tempo necessário para aquecer a água na cesta solar. Se a cesta solar for seu único meio de água limpa, seria muito importante planejar com antecedência. Esta primeira tentativa de criar uma cesta solar pode não ser tão durável. As tampas das latas enferrujaram em dois meses em nosso ambiente costeiro. No entanto, isso pode não ser um problema em um ambiente desértico. Talvez as latas contendo suprimentos enviados aos refugiados possam ser feitas de metal polido que não enferruja. A cesta é forte, mas as faixas de alumínio são flexíveis e podem perder a forma com o tempo. As nervuras da cesta são apenas comprimentos únicos de corredor de amora e têm o potencial de rachar ou quebrar. Não é necessário ter muita educação para construir esta cesta, mas seria importante ter alguma familiaridade com as parábolas. Fizemos uso de alguma álgebra e cálculo, e a capacidade de usar equações matemáticas ajuda muito na criação de modelos para a forma geral correta da cesta e diâmetros de banda restritos.
What we would do differently
Se fôssemos fazer a cesta solar versão 2.0, aqui estão algumas mudanças que faríamos:
- Dobre os corredores de amora para que as costelas da cesta fiquem mais fortes
- Use outro material no lugar do capim-dos-campos porque causa caroços na superfície da cesta, talvez algo mais macio.
- Use todas as tampas de latas grandes, da qualidade mais brilhante
- Construa os anéis que sustentam a forma parabólica de um material menos flexível que o alumínio e o fio que encontramos.
