הפקולטה להנדסה - המגמה להנדסה מכנית

תיכון מערכת אנרגיה סולרית

לבישול וחימום

תקציר מנהלים

פרוייקט גמר

יוני 2002

פרויקט מספר: 178

כתבה: עדי יוגב

ת.ז.: 034477240    

מנחה: מר יהודה שוורץ

מטרת הפרויקט

מטרת הפרויקט הייתה לתכנן תנור בישול ואפייה אשר יעבוד על אנרגיה סולרית ויספק את צרכי הבישול והאפייה של משפחה אחת.

התנור מורכב על קיר הבית מבחוץ, כאשר דלת התנור נמצאת בתוך הבית. תמונה של דגם הפועל על עקרון דומה, אשר נמצאה באינטרנט, מוצגת להלן להבהרה:

מבט על התנור מחוץ לבית

על פי הגדרת הפרויקט התנור מיועד לשימוש על ידי אוכלוסיות חלשות באזורים אשר אינם מחוברים לחשמל, ולכן התכן של התנור הוא פשרה בין הרצון ליצור דגם בעל אורך חיים ארוך ללא תיקונים, מאחר ובמקומות נידחים אלו אין כוח אדם מיומן, והרצון להוריד את המחיר ככל האפשר, מאחר ולאוכלוסיות המדוברות אין אפשרויות מימון.

תיאור שלבי הפרויקט

לאחר ביצוע סקירה נרחבת של הספרות הרלוונטית, אשר כללה מאמרים, ספרים ואינטרנט, התבצעה עבודה במקביל על מספר תחומים:

בדיקת פרמטרים מבניים שונים: נבדקו אפשרויות שונות עבור פרמטרים מבניים בתנור – עבור הזווית של הזכוכית, הזווית של הרצפה, מספר הזכוכיות המכסות, האפשרות של הוספת מערכת עקיבה אחרי השמש והאפשרות של הוספת רפלקטור חיצוני.

הזווית שנקבעה עבור הזכוכית היא 25 מעלות. האפשרות של הטיית הרצפה נדחתה משיקולי נוחיות והאפשרויות של הוספת מערכת עקיבה וזכוכית כיסוי נוספת נפסלו משיקולים כלכליים.

על מנת להגדיל את כמות הקרינה הנכנסת לתנור הוסף רפלקטור חיצוני לתנור. הרפלקטור הוא בעצם מראה, וניתן להטוטו בציר מזרח מערב בהתאם לעונות השנה – בקיץ הרפלקטור צמוד לקיר, בחורף הוא נטוי בכ- 25 מעלות מהקיר ובעונות המעבר הוא נטוי בכ- 15 מעלות מהקיר.

התנור בנוי משתי "קופסאות" אשר מופרדות ביניהן על ידי חומר בידוד. בחלקו העליון מורכבת זכוכית שקופה, אשר מאפשרת לקרינת השמש ולקרינה המגיעה מהרפלקטור להיכנס לתנור. רצפת התנור צבועה בשחור על מנת לקלוט את הקרינה בצורה הטובה ביותר.

בעמוד הבא מוצג שרטוט של התנור כולל הרפלקטור. בשרטוט זה הרפלקטור נטוי ב- 15 מעלות מהקיר, כמו בעונת מעבר.

התנור הסולרי

בחירת חומרים עבור החלקים השונים: גוף התנור עצמו עשוי מפלדת אל חלד, אשר מייקרת את התנור, אך מורידה את הסיבוכיות שלו, מאחר היא לא מחלידה ועקב כך לא נדרש ציפוי נגד חלודה, אשר עלול להתכלות מהר יותר.

חומר הבידוד אשר נמצא בין שני החלקים של גוף התנור הוא צמר זכוכית. בנוסף, בחלק הפנימי של הדלת, לאורך כל ההיקף, מודבק פס גומי המונע בריחת חום בחריץ בין הדלת וגוף התנור.

בדיקת כדאיות כלכלית: עלות התנור כפי שחושבה בפרויקט היא 1360 ₪. מחיר זה הוא ליחידה, ואם התנור ייוצר בכמויות גדולות יותר, המחיר ליחידה ירד באופן דרסטי. היתרון הכלכלי האדיר הגלום בתנור מסוג זה הוא שעלות השימוש מסתכמת בעצם בעלות הראשונית, ועלויות קטנות עקב תיקונים לאורך השנים. האנרגיה המתקבלת היא בחינם!

לפי חישוב כדאיות כלכלית ותוך הנחה כי אורך חיי התנור הוא 10 שנים התברר כי התנור חוסך לאורך השנים כ- 2700 ₪ אם הוא מחליף תנור העובד על חשמל וכ- 4780 ₪ אם הוא מחליף תנור העובד על גז בישול (כיריים). התנור מחזיר את עלותו הראשונית תוך שנה ותשעה חודשים במקרה הגרוע ביותר וברור שהחיסכון יהיה גדול יותר בייצור המוני, מאחר והחישוב של כדאיות כלכלית נעשה לפי המחיר של דגם האב טיפוס.

במקביל לעבודה על הנושאים הנ"ל, בוצעו חישובים תרמיים על התנור. החישוב נעשה על ידי ארבע משוואות, אשר ארבעת הנעלמים שלהן הם הטמפרטורות של: (1) האוויר הכלוא בתנור, (2) פלטת החימום, (3) זכוכית הכיסוי ו- (4) המים המתחממים בסיר, כמות של 5.3 ליטר לסיר.

לאחר ביצוע החישובים התקבלו גרפים של הטמפרטורות הנ"ל כפונקציה של הזמן עבור ארבעה מצבים שונים:

· סיר אחד, 5 ס"מ בידוד, עם רפלקטור.

· שני סירים, 5 ס"מ בידוד, עם רפלקטור.

· סיר אחד, 10 ס"מ בידוד, עם רפלקטור.

· סיר אחד, 5 ס"מ בידוד, בלי רפלקטור.

כאשר המצב הראשון נחשב "נומינלי" ובאחרים משתנה כל פעם פרמטר אחר מהמצב הנומינלי.

בעמוד הבא מוצג לדוגמא גרף של המצב הראשון בחודש מרץ, אשר נחשב עונת מעבר.

שינוי הטמפרטורה כפונקציה של הזמן בחודש מרץ

כאשר: Tg – טמפ' הזכוכית, Ta – טמפ' האוויר הכלוא, Tw – טמפ' המים, Tp – טמפ' הפלטה.

כפי שניתן לראות מתקבלת רתיחה של המים (כ- 5.3 ליטר) לאחר שעתיים וחצי. בקיץ המים רותחים לאחר פחות משעתיים ובחורף לאחר ארבע שעות לערך.

בנוסף בוצעו חישובי חוזק על כל האלמנטים על מנת לוודא עמידה בכל העומסים המופעלים.

סיכום והמלצות להמשך

התנור הסולרי יכול לתת מענה למספר בעיות:

· אנרגיה זמינה לאזורים מרוחקים אשר אינם מחוברים לחשמל (בארץ התנור יכול להיות רלוונטי לבדואים אשר עדיין לא מחוברים לחשמל), ולא מקבלים אספקה שוטפת של מוצרי נפט שונים המשמשים לבעירה.

· עזרה בבלימת המידבור והכחדת היערות (deforestation) של אזורים נרחבים מאד במקומות בעולם בהם יש ריכוזים של אוכלוסיות עניות.

· הוזלת העלות של הבישול עבור משפחה, מאחר וההוצאה היחידה על התנור היא העלות הראשונית. הבעיה היא שלא ניתן לבשל בתנור כאשר אין שמש, ולכן העלות על מוצרי בעירה למשפחה יורדת, אך לא נעלמת לחלוטין.

הצעה נוספת שעלתה הייתה האפשרות לנצל את האנרגיה בחינם שהתנור מציע במסעדות המתמחות בתבשילים הדורשים בישול ארוך, כמו חמין. אך מאחר ולא ניתן לסמוך על התנור שיעבוד תמיד, נדרש גיבוי של תנור העובד על חשמל.

המלצות להמשך:

· ניתן לבדוק דרכים להוזלת התנור, כמו שימוש בחומרים חלופיים.

· לחילופין ניתן לבדוק אופציות יקרות יותר ליישומים נוספים ולהוסיף נניח זכוכית כיסוי נוספת.

· אפשר לבנות את התנור ולבדוק על ידי ניסויים האם המציאות תואמת את התיאוריה אשר מוצגת בפרויקט זה. ניתן לבנות את התנור על פי פירוט החומרים בפרויקט זה, או מחומרים זולים יותר.

· ניתן לבדוק אפשרות של עקיבה פולארית אחרי השמש בנוסף לעקיבה עונתית.