Из чего сделать параболическое основание. Солнечный концентратор своими руками
Звездное небо всегда тянуло исследователей, наверное каждый хоть раз в жизни мечтал открыть какую-нибудь звезду или созвездие и назвать его в честь близкого ему человека. Представляю вашему вниманию небольшое руководство, которое состоит из двух частей в которых приводятся подробное описание, как сделать с нуля своими руками деревянный телескоп. В этой части будет показано, как вы можете изготовить ключевой элемент телескопа: первичное зеркало .
Хорошее зеркало поможет вам рассмотреть различные детали Луны, планет солнечной системы и других объектов далёкого космоса в то время, как зеркало плохого качества даст вам только расплывчатые очертания предметов.
Зеркала телескопа требуют чрезвычайной точной поверхности. В большинстве случаев отменное качество зеркал достигается путём ручной полировки, а не машинной полировки. Это одна из причин, почему некоторые люди предпочитают изготавливать собственные зеркала, а не покупать дешёвые промышленные образцы. Вторая причина –вы приобретёте необходимые знания по производству высококачественных оптических приборов, а как известно знания за плечами не носить.
Шаг 1: Материалы
- Стакан-заготовка изготовлена из материала с низким коэффициентом расширения (пирекс, боросиликатное стекло, Дюран 50, Церодур, и т.д.);
- Карбид кремния различной зернистости (60, 80, 120, 220, 320 единиц);
- Оксид алюминия (25, 15, 9 и 5 мкм);
- Оксид церия;
- Смола;
- Точильный камень;
- Водонепроницаемая штукатурка (зубной гипс);
- Керамическая плитка;
- Эпоксидный клей.
Шаг 2: Подготовка заготовки
Стеклянные заготовки часто приходят с метками на поверхности. «Круглый знак» в нижней части – оставлен печкой, а верхние отметки – появились в следствии разности температур при охлаждении стекла.
Начнём с обработки кромок стекла, чтобы ограничить риск сколов. Точильный камень является прекрасным инструментом для выполнения данной операции. Не забывайте о средствах индивидуальной защиты органов дыхания и помните о том, что стекло и камень следует смачивать водой (так как стеклянная пыль очень плохо влияет на легкие).
Нижняя часть зеркала должна быть, как можно более плоской (прежде чем начинать работать на нём). Для выравнивания поверхности воспользуемся грубым карборундом (карбид кремния # 60). Распределим порошок и воду на плоской поверхности и потрём стеклом по нём. Через несколько секунд, вы увидите серую пасту. Смойте её и добавьте влажный песок. Продолжайте, пока поверхность не будет очищена от ям и выбоин.
Шаг 3:
Эта приспособа будет использоваться для создания вогнутой поверхности на стеклянной заготовке.
Накроем стекло полиэтиленовой пленкой. Сделаем картонный цилиндр вокруг заготовки и зальём гипс внутрь. Дадим ему высохнуть, после чего снимем картон. Осторожно отделите стекло и обработайте заусенцы на краях.
Шаг 4: Покрытие из керамической плитки
Нам нужна твёрдая поверхность, для того чтобы отшлифовать стекло. Вот почему выпуклость заготовки нужно покрыть керамической плиткой.
Приклеим плитку на гипсовую основу эпоксидной смолой.
Обратите внимание, что следует избегать размещения плитки или отверстий в центре. Вместо этого, немного сместите плитку, чтобы избежать какого-либо центрального дефекта на зеркальной поверхности.
Шаг 5: Начинаем шлифовку
Положим немного влажного песка на поверхность плитки и начнём тереть стекло по ней.
После нескольких проходов, повернём зеркало и продолжим шлифовку в другом направлении. Это обеспечивает хорошую обработку, со всех ракурсов и предотвратит ошибки.
Шаг 6:
Продолжаем шлифовать, пока не получим желаемый изгиб. Чтобы оценить кривизну, необходимо использовать калькулятор из набора измерений Sagitta.
Если вы хотите построить телескоп для наблюдения за планетами, вам понадобится больше фокусное соотношение (F / 8 или выше).
С другой стороны, если вы хотите созерцать просторы галактики и звёздные туманности, вам понадобится небольшое фокусное соотношение (F / 4, например).
Фокусное соотношение F / 4,75. Sagitta моего 20 см зеркала 0,254 см.
Шаг 7: Сглаживаем поверхность
После того, как будет достигнута необходимая кривизна, нужно сгладить поверхность, при этом сохранив ту же кривизну.
Отметьте маркером крупные изъяны и продолжайте шлифовать до полного их удаления. Это будет визуальным подтверждением того, что вы можете переключиться на более мелкий абразив.
Перейдём на карбида кремния # 320. После того, как вы достигли этого шага, вы должны начать видеть некоторые отражения при всматривании в заготовку зеркала.
Шаг 8:
Нам нужно изготовить еще один инструмент для данной операции. Вы можете сделать такую приспособу из гипса или толстой фанеры. Она будет покрыта мягким материалом – смолой.
Смола хвойных деревьев – очень липкая и трудно отчищается.
Сделайте еще один цилиндр вокруг основания приспособы. Растопите большое количество смолы и залейте её в цилиндр. Дайте смоле остыть и снимите картонный кожух. После этого начнём формировать поверхность, необходимо придать ей небольшую выпуклость. Созданные каналы также помогут вам при обработке стекла.
Шаг 9: Полируем
Положите немного влажного порошка церия на смолу и начинайте тереть о нём зеркалом. Церий будет проникать в поверхность смолы. Используйте мыльную смазку, если нужно.
Шаг 10: Изготовляем Фуко тестер
Фуко тестер – инструмент предназначен для анализа поверхности параболических зеркал. Он имеет источник света, который светит на зеркало. Когда свет возвращается, то фокусируется в другом районе (если он пришел от края или центра зеркала).
Тестер использует этот принцип, чтобы вы визуально могли увидеть ошибки в диапазоне от 1 миллионной см. Добавив экран Ronchi к тестеру вы сэкономите время, потому что будете получать представление о поверхности без каких-либо измерений.
Для того, чтобы сделать жизнь проще, сделайте стенд для зеркала. Винт в задней части позволяет регулировать угол наклона.
Шаг 11: Изготавливаем параболоид
После стадии доводки у нас должно получиться полностью полированное зеркало с красивой сферической поверхностью. Тем не менее, сфера не подходит для астрономических целей. Мы должны получить параболоид.
Разница между сферой и параболоидом мала (порядка 1 микрона). Для достижения этой разницы будем использовать тестер Фуко. Так как мы знаем, как должно выглядеть отражение, мы будем делать специальную доводку оксидом церия, пока отражение на зеркале не совпадет с теоретическим.
Внешний вид шлифовки будет напоминать «W». Амплитуда должна быть 4/5 диаметра в поперечном и продольном направлении.
Существует также полный перечень различных приемов, чтобы исправить ошибки конкретной поверхности.
Шаг 12: Контроль поверхности с помощью тестера Фуко
Так выглядит отражение в Фуко тестере, что снабжён сеткой Рончи.
В зависимости от случая (сетка разрезает свет перед радиусом кривизны или после), можно интерпретировать линии и вывести форму поверхности.
Маска Couder используется для измерений с тестером Фуко.
Шаг 14: Алюминирование
Для того, чтобы полностью завершить поделку, её нужно отправить на алюминирование. В настоящее время зеркало отражает только 4% света. Алюминиевый вклад в поверхность увеличит процент более чем на 90%.
Необязательное дополнение – покрытие из SiO2 поможет защитить металл от любого источника окисления.
Можно добавить отпечаток центра – это помогает при коллимации и не влияет на качество зеркала, так как центр не участвует в формировании изображения, что вы будите видеть в окуляре.
Продолжение следует…
Эта статья предназначена для тех астрономов-любителей, которые уже наигрались с биноклем и телескопом-рефрактором, рассмотрели фазы Венеры, кольца Сатурна и спутники Юпитера, и хотят чего-то менее скучного и более потрясающего. Например, в 1000 крат с огромным объективом. Сделать такое на одних линзах невозможно: дают так называемую хроматическую аберрацию, которая проявляется в виде радужных ореолов вокруг объектов, тем более сильных, чем сильнее увеличение телескопа.
Поэтому встаёт задача собрать самодельный телескоп-рефлектор, то есть телескоп на зеркалах. В его простейшей форме он состоит из двух зеркал (объектива и диагонального) и одной линзы-окуляра.
Где достать
Главное зеркало-объектив телескопа-рефлектора — самая важная и ответственная его часть. И она же — самая сложная в изготовлении. Найти готовое зеркало такого типа практически невозможно.
Хотя есть один способ: можно сделать такое из вогнутой или выпукло-вогнутой линзы. Найдите вогнутую или выпукло-вогнутую линзу самого большого размера, какого только сможете найти. Важно, чтобы фокусное расстояние было как можно выше, а, значит, вогнутость как можно меньше: от слишком мощных вогнутых линз требуется не сферическая, а параболическая форма, а это уже совсем другой дефицит, который никак не сымпровизируешь.
Самый надёжный расчёт — это найти плосковогнутую диаметром в 10-12 см и оптической силой в 1 диоптрию. Поищите её в оптических магазинах. Самодельный телескоп в 1000 крат, таким образом, не получится, но кое-что сделать с таким можно.
Серебрение с помощью химии
Затем надо заняться серебрением, чтобы получить зеркало. Приготовьте раствор, который называется реактивом Толленса. Для того чтобы приготовить этот реактив, нужны: нитрат серебра (ляпис), едкий натр (каустическая сода) и раствор аммиака.
В комплект к этому реактиву ещё понадобится формалин (раствор формальдегида). На 10 мл воды растворите 1 г нитрата серебра, на другие 10 мл воды — 1 г едкого натра. Смешайте эти растворы, должен выпасть белый осадок. Приливайте раствор аммиака, пока осадок не растворится. Этот раствор и есть реактив Толленса.
Чтобы использовать его для серебрения, следует налить его в вогнутую часть, предварительно тщательно очищенную от любых загрязнений. Если очень слабовыраженная вогнутость, следует сделать по её краю барьерчик из воска или пластилина.
Налив реактив, следует начинать частыми каплями добавлять в него формалин. Вскоре образуется плёнка серебра, и она превратится в вогнутое зеркало. Имейте в виду, что реактив Толленса не хранится долго, использовать его надо сразу после того, как он приготовлен.
Есть и способы изготовить вогнутую поверхность самостоятельно, в первую очередь — вышлифовывание на стеклянных кругах вогнутой поверхности. Однако эти способы слишком сложны, и не рекомендованы к использованию начинающими.
Таким же способом, как и вогнутое, следует изготовить диагональное зеркало. Оно должно быть идеально прямым; для его изготовления подойдёт плоская сторона любой плосковыпуклой или плосковогнутой.
Сборка телескопа
Теперь можете начинать собирать самодельный . Вам понадобится труба, длиной точно в фокусное расстояние (если Вы использовали для изготовления плосковогнутую линзу в 1 диоптрию, то возьмите трубу длиной в 100 см, +0,5- 1 см поправки на толщину).
Труба должна быть открытой с одного конца и закрытой с другого, и изнутри выкрашенная самой чёрной краской, что только сможете найти. Диаметр трубы должен быть в 1,25 раза больше диаметра зеркала-рефрактора, если Вы использовали для изготовления линзу диаметром в 100 мм, возьмите трубу диаметром в 125 мм.
В донце трубы, точно по центру, закрепите зеркало-объектив. Чтобы это удобно было делать, донце лучше предусмотреть съёмное. Крепить объектив к донцу можно, к примеру, суперклеем.
Сделайте отверстие ближе к открытому концу трубы. Чтобы высчитать нужное положение для отверстия, отсчитайте от открытого конца трубы её радиус. Там и должен располагаться центр отверстия. В этом отверстии будет укреплён окуляр (перпендикулярно трубе).
Оно должно висеть на оптической оси под углом в 45 градусов. Если угол выдержан правильно, то при взгляде в окуляр Вы будете видеть изображение. Если с первого раза не получится, поэкспериментируйте с углом.
Проблема использования солнечной энергии с древних времен занимала лучшие умы человечества. Было понятно, что Солнце – это мощнейший источник даровой энергии, но как эту энергию использовать, не понимал никто. Если верить античным писателям Плутарху и Полибию, то первым человеком, практически использовавшим солнечную энергию, был Архимед, который с помощью изобретенных им неких оптических устройств сумел собрать солнечные лучи в мощный пучок и сжечь римский флот.
В сущности, устройство, изобретенное великим греком, представляло собой первый концентратор солнечного излучения, который собрал солнечные лучи в один энергетический пучок. И в фокусе этого концентратора температура могла достигать 300°С - 400°С, что вполне достаточно для того, чтобы воспламенить деревянные суда римского флота. Можно только догадываться, какое именно устройство изобрел Архимед, хотя, по современным представлениям, вариантов у него было всего два.
Уже само наименование устройства – солнечный концентратор – говорит само за себя. Этот прибор принимает солнечные лучи и собирает их в единый энергетический пучок. Самый простой концентратор всем знаком из детства. Это обычная двояковыпуклая линза, которой можно было выжигать различные фигурки, надписи, даже целые картинки, когда солнечные лучи собирались такой линзой в маленькую точку на деревянной доске, листе бумаги.
Эта линза относится к так называемым рефракторным концентраторам. Кроме выпуклых линз к этому классу концентраторов относятся также линзы Френеля, призмы. Длиннофокусные концентраторы, построенные на основе линейных линз Френеля, несмотря на свою дешевизну, практически используются очень мало, так как обладают большими размерами. Их применение оправдано там, где габариты концентратора не являются критичными.
Рефракторный солнечный концентратор
Этого недостатка лишен призменный концентратор солнечного излучения. Более того, такое устройство способно концентрировать также и часть диффузного излучения, что значительно повышает мощность светового пучка. Трехгранная призма, на основе которой построен такой концентратор, является и приемником излучения и источником энергетического пучка. При этом передняя грань призмы принимает излучение, задняя грань – отражает, а из боковой грани уже выходит излучение. В основу работы такого устройства заложен принцип полного внутреннего отражения лучей до того, как они попадут на боковую грань призмы.
В отличие от рефракторных, рефлекторные концентраторы работают по принципу сбора в энергетический пучок отраженного солнечного света. По своей конструкции они подразделяются на плоские, параболические и параболоцилиндрические концентраторы. Если говорить об эффективности каждого из этих типов, то наивысшую степень концентрации – до 10000 – дают параболические концентраторы. Но для построения систем солнечного теплоснабжения используются в основном плоские или параболоцилиндрические системы.
Параболические (рефлекторные) солнечные концентраторы
Практическое применение солнечных концентраторов
Собственно, основная задача любого солнечного концентратора – собрать излучение солнца в единый энергетический пучок. А уж воспользоваться этой энергией можно различными путями. Можно даровой энергией нагревать воду, причем, количество нагретой воды будет определяться размерами и конструкцией концентратора. Небольшие параболические устройства можно использовать в качестве солнечной печи для приготовления пищи.
Параболический концентратор в качестве солнечной печи
Можно использовать их для дополнительного освещения солнечных батарей, чтобы повысить выходную мощность. А можно использовать в качестве внешнего источника тепла для двигателей Стирлинга. Параболический концентратор обеспечивает в фокусе температуру порядка 300°С – 400°С. Если в фокусе такого сравнительно небольшого зеркала поместить, например, подставку для чайника, сковороды, то получится солнечная печь, на которой очень быстро можно приготовить пищу, вскипятить воду. Помещенный в фокусе нагреватель с теплоносителем позволит достаточно быстро нагревать даже проточную воду, которую затем можно использовать в хозяйственных целях, например, для душа, мытья посуды.
Простейшая схем нагрева воды солнечным концентратором
Если в фокусе параболического зеркала поместить подходящий по мощности двигатель Стирлинга, то можно получить небольшую тепловую электростанцию. Например, фирма Qnergy разработала и пустила в серию двигатели Стирлинга QB-3500, которые предназначены для работы с солнечными концентраторами. В сущности, правильнее было бы их назвать генераторами электрического тока на базе двигателей Стирлинга. Этот агрегат вырабатывает электрический ток мощностью 3500 ватт. На выходе инвертора – стандартное напряжение 220 вольт 50 герц. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить электричеством дом для семьи из 4 человек, дачу.
Кстати, используя принцип работы двигателей Стирлинга, многие умельцы своими руками делают устройства, в которых используется вращательное или возвратно-поступательное движение. Например, водяные насосы для дачи.
Основной недостаток параболического концентратора заключается в том, что он должен быть постоянно ориентирован на солнце. В промышленных гелиевых установках применяются специальные системы слежения, которые поворачивают зеркала или рефракторы вслед за движением солнца, обеспечивая тем самым прием и концентрацию максимального количества солнечной энергии. Для индивидуального использования вряд ли будет целесообразным применять подобные следящие устройства, так как их стоимость может значительно превышать стоимость простого рефлектора на обычной треноге.
Как сделать самому солнечный концентратор
Самый простой способ для изготовления самодельного солнечного концентратора – это использовать старую тарелку от спутниковой антенны. Вначале нужно определиться, для каких целей будет использоваться этот концентратор, а затем, исходя из этого, выбрать место установки и подготовить соответствующим образом основание и крепления. Тщательно вымыть антенну, высушить, на приемную сторону тарелки наклеить зеркальную пленку.
Для того, чтобы пленка легла ровно, без морщин и складок, ее следует разрезать на полоски шириной не более 3 – 5 сантиметров. Если предполагается использовать концентратор в качестве солнечной печи, то рекомендуется в центре тарелки вырезать отверстие диаметром примерно в 5 – 7 сантиметров. Через это отверстие будет пропущен кронштейн с подставкой для посуды (конфоркой). Это обеспечит неподвижность емкости с приготовляемой едой при повороте рефлектора на солнце.
Если тарелка небольшого диаметра, то рекомендуется еще и полоски разрезать на кусочки длиной примерно по 10 см. Наклеивать каждый кусочек отдельно, тщательно подгоняя стыки. Когда отражатель будет готов, его следует установить на опору. После этого нужно будет определить точку фокуса, так как точка оптического фокуса у тарелки спутниковой антенны не всегда совпадает с позицией приемной головки.
Самодельный солнечный концентратор – печь
Чтобы определить точку фокуса, необходимо вооружиться темными очками, деревянной дощечкой и толстыми перчатками. Затем нужно направить зеркало прямо на солнце, поймать на дощечку солнечный зайчик и, приближая или удаляя дощечку относительно зеркала, найти точку, где этот зайчик будет иметь минимальные размеры – небольшую точку. Перчатки нужны для того, чтобы уберечь руки от ожога, если они случайно попадут в зону действия луча. Ну, а когда точка фокуса будет найдена, ее останется только зафиксировать и монтировать необходимое оборудование.
Вариантов самостоятельного изготовления солнечных концентратором существует множество. Точно так же самому из подручных материалов можно смастерить и двигатель Стирлинга. А уж использовать этот двигатель можно для самых различных целей. На сколько хватит фантазии, желания и терпения.
Do-it-yourself / DIY
Параболическое зеркало для телескопа-рефлектора при помощи самодельного ЧПУ-станка
Вы видели, сколько сейчас стоит рефлектор с зеркалом диаметром в 18 дюймов (почти 46 см)?
Поэтому мой парк безумных инженерных идей пополняется новым пунктом!
Для создания зеркала нам понадобится много плексигласа или нехрупкого (т.н. вязкого) стекла. Чтобы подобрать материал - надо хорошенько заморочиться, да. Также понадобится три-четыре мощных и точных сервопривода с контроллерами, Arduino и немого радиодеталей. Далее нужен материал для станины, корпуса станка и поворотных деталей. Ну и самое главное - ручная фреза, подходящая для обработки выбранного материала.
Идея в том, чтобы при помощи закрепленной на вращающейся штанге фрезы наносить концентрические канавки с уменьшающимся радиусом и увеличивающейся глубиной при каждом новом круге. Таким образом мы получаем ступенчатую поверхность, близкую к параболоиду вращения, т.к. все изменения положения фрезы и глубины её погружения будут рассчитываться при помощи параболической функции. Далее поверхность покрывается эпоксидной смолой и при помощи быстрого вращения заготовки равномерно распределяется по поверхности, заполняя "ступеньки" и приводя поверхность к максимально близкой к параболоиду.
Основные проблемы, с которыми я точно столкнусь:
- Точность позиционирования
- Выбор материала и фрезы, в случае со стеклом будут сколы, а плексиглас слишком мягкий и не держит форму
- Морока с "замазкой" ступенек эпоксидкой и финальная шлифовка
- Нанесение отражающего слоя. (пылищща, ага)
Огромное количество свободной энергии солнца, воды и ветра и многого другого из того, что может дать природа, люди используют давно. Для кого-то это хобби, а кто-то не может выжить без приспособлений, которые могут извлекать энергию “из воздуха”. Например в африканских странах солнечные батареи давно стали спасительным спутником для людей, в засушливых деревнях внедряются системы орошения на солнечных батареях, устанавливаются “солнечные” насосы на колодцы и др.
В европейских странах солнце не светит столь ярко, но лето довольно жаркое, и очень жаль, когда дармовая энергия природы пропадает зря. Существуют удачные разработки печей на солнечной энергии, но в них используются цельные или сборные зеркала. Это во-первых дорого, во-вторых утяжеляет конструкцию и поэтому не всегда удобно в эксплуатации, например, когда требуется малый вес готового концентратора.
Интересную модель самодельного параболического солнечного концентратора создал талантливый изобретатель.
Для ее изготовления не нужны зеркала, поэтому она очень легкая и не будет тяжелым грузом в походе.
Для создания самодельного солнечного концентратора на основе пленки требуется совсем немного вещей. Все они продаются на любом вещевом рынке.
1. Самоклеющаяся зеркальная пленка. Она имеет ровную блестящую поверхность и поэтому является прекрасным материалом для зеркальной части солнечной печи.
2. Лист ДСП и такой же по размеру лист оргалита.
3. Тонкий шланг и герметик.
Как сделать солнечную печь?
Сначала из древесно-стружечной плиты нужного вам размера электролобзиком вырезаются два кольца, которые надо приклеить друг к другу. На фото и видео фигурирует одно кольцо, но автор указывает, что позднее он добавил второе кольцо. По его словам, можно было бы ограничиться одним, но пришлось увеличить пространство для формирования достаточной вогнутости параболического зеркала. В противном случае фокус луча будет располагаться слишком далеко. Под размер кольца вырезается круг из оргалита для формирования задней стенки солнечного концентратора.
Кольцо следует приклеить к оргалиту. Обязательно хорошо все промажьте герметиком. Конструкция должна быть полностью герметичной.
Сбоку аккуратно, чтобы были ровные края, проделайте небольшое отверстие, в которое плотно вставьте тонкий шланг. Для герметичности соединение шланга и кольца также можно обработать герметиком.
Поверх кольца натяните зеркальную пленку.
Откачайте воздух из корпуса установки и таким образом сформируйте сферическое зеркало. Шланг загните и зажмите прищепкой.
Сделайте удобную подставку для готового концентратора. Энергии данной установки достаточно, чтобы расплавить алюминиевую банку.
Внимание
! Параболические солнечные отражатели могут быть опасными и могут при неосторожном обращении привести к ожогам и повреждениям глаз!
Посмотрите процесс изготовления солнечной печки на видео.
Использован материал с сайта забацай.ру. Как сделать солнечную батарею – .
