Heliostat for solar heating
Detta gör DIY'ers att bygga en $111 solar hus värmare och ljuskälla. Det lönar sig för dess delar 2 vintertid och bör pågå så länge PVC överlever vintern utomhus. Det ger 4,5 kW för 6 till 8 timmar per solig dag, lika med tre 1 500 Watt elektrisk värmare. Om det varar 10 år, fungerar detta vara $0,005 kostnad per kWh, 30 gånger billigare än el. Stöder är fjäderbelastade låta styrelser faller till marken i måttlig vind. Ett galvaniserat stål konstruktion skulle vara bättre.
Klicka på första bilden för att se den animerade GIF.
Den delen som sticker ut tillbaka med kablarna hjälper inte verkligen och visade sig inte behövs. Om det är nära ett fönster som detta, bara av skuggan av taket, en enda motor kan användas och ingen justering hela vintern behövs om axeln och tilt off axeln är precis rätt, som beskrivs nedan. Några av bilderna är bara tidigare försök. Det största problemet för en DIYer är inte kunna hitta kopplingen till skruven för motorn (jag var tvungen att göra det från PVC och epoxy) och att få bulten för skruven i andra änden på en säkert svivel.
Tänk på detta kanske bränna ditt hus ner.
En annan varning: alla PVC som Detta resulterar i en "tunn" design som har en hel del rörelse i den. Det fungerar bra och är godtagbart för mig. Värme problem jag visar i videon har åtgärdats genom att skruva små trä bitar bakom mitten av de 4 x 8 i PCV att få dem att böja ut i mitten bara lite. Det fungerar få förutom vind release fungerade inte idag och jag har en liten reparera att göra.
Kopplingsschemat har ett fel: höger sida är korrekt. Till vänster måste vara kopplad till växelspänning på samma sätt som höger sida.
A few anteckningar: 1) den horisontella armen måste vara cirka 4" kortare så att det finns mindre böjning. 2) PVC: N sticker ut på baksidan med kabeldragning behövs inte. 3) behovet av centrala två axii att vara annorlunda att minska stora vinglig arten av denna PVC design som de flesta människor inte kommer att tänka är acceptabelt. Jag har en design i åtanke men det är svårt att beskriva med ord och jag har inte byggt eller dras det. Det är en liten 3D fackverket kommer ut på baksidan där det vågräta fältet behöver två axel "kopplingar" att göra ansluta poäng för fackverket på varje sida om mitten. Målet är att få mitten T ute ur bilden eftersom det ger för mycket.
Det finns detaljer om konstruktion som jag behöver ladda upp videoklipp, förmodligen under denna 1: a veckan i September.
Den använder två 4 x 8 isoleringsplattor täckt av aluminiserat mylar och nästan lodrätt monterad på en stolpe och roterar till efter solen så att solljuset speglar i ett stort fönster eller glasskjutdörr på norra sidan av huset. Denna "heliostat" placeras precis norr om fönstret ca 15 fot från målfönstret eller solceller (20 eller 25 fot behövs för mer norra hus speciellt om taken är brant eller två berättelser). Den aluminiserat mylar från Amazon eller ebay är fäst vid båda sidorna av 4 x 8's (för styrka och utseende) först med sprejlim och sedan med tydliga förpackningstejpen runt kanterna (som har varat i 4 år på min). Om en target spegel placeras under heliostat i en vinkel lika med latitude, sedan heliostat kan slå på 15 grader per timme på en enda axel och målet spegeln kan reflektera ljuset till öst eller väst windows utan mer idealiskt till ett söder fönster som är bakom heliostat. En annan enkel axel
Jag värmde vårt 4000 KVM hus i vintras med två av dessa enheter med $200 av material. Det sparade omkring $400, sänka naturgas räkningen från $800 $400 plus minskade elektriska kostnader för belysning och värmare fläkten. Bara den extra intensivt solljus kommer horisontellt ner i korridoren värt besväret (mer än underbart) radera känslan av vinter.
Den första bilden är en animerad GIF som visar att det i bättre detalj och avslutas med ett kopplingsschema som är fel. Spänningstillförselen är tänkt för att vara på en gemensam linje mellan Parade MOSFETs, två symmetriska kretsar inte bort till sidan på en av dem. Det är en mycket effektiv krets vilket innebär att du har tråd det rätt eller inget av det fungerar, vilket innebär att du inte kommer att kunna isolera problem med kabeldragning om alla olika delar.
Jämförelse med söderläge fönster och vertikalt Solar Hot air lådor
En norr vägg solar air låda kan också användas som mål, att få upp till 6 gånger mer värme jämfört med en vägg solar air låda eftersom ljuset kan tredubblas och det har spårning. Men rutorna bästa solar air är inte lika effektiva som smiply att låta ljuset in ett hus fönster av samma storlek eftersom lite ljus energi speglar tillbaka utanför. Men sedan igen, trippel ljus koncentration är för mycket för brandfarliga områden. Heliostat måste vara 50% bredare för att få mest av de första och sista timmarna av dagen, plus två gånger detta för att få en fördubbling av ljus. Dubbel ljusintensiteten är lika säker som två speglar i 30 grader reflekterar ljus på en yta inför Sun. se beräkningar nedan visar jämförelsen av helisotat till vertikala södra Fönstren.
7 september 2013 uppdatering (var ursprungligen 28 juli)
Jag har tre PVC heliostater byggt nu och kommer att fortsätta att förbättra detta instructable att göra det enkelt att genomföra. Det finns många "hakar" som kan uppstå och jag skulle vänta tills jag avslutar detta instructable innan du försöker. Jag har gjort ändringar i animeringen design enligt följande: 1) inga sladdar för ryggstödet. 2) 1 stål eller tjock-gauge koppartråd går över posten som stöder den övre motorn och bifogas varje ände av det huvudsakliga beväpnar till hålla den från att böja ner under tyngden 3) absolut behöver epoxi under översta 1,25" hylsan (orange i animation) istället för PVC lim. 4) lågt tryck 1" i stället för högt tryck 3/4" PVC armar kör upp och ner (4 av dem). De är lättare och böja mindre. 5) det är viktigt men inte nödvändigt att hitta 3/4" stål, koppar eller aluminium för 2 axel (3" bitar behövs) i stället för höga tryck 3/4" PVC. 6) behovet av stand-offs i mitten och på varje sida av de 4 x 8 att sprida ut ljuset, särskilt om $10 sprejlim inte används för att hålla den aluminiserat mylar tätt till 4 x 8 7) jag använder en liten fjäder för att hålla en av framsidan TS i mitten från kommer bort, vilket innebär att vindstyrkan på 4 x 8 kan skjuta det ifrån , så att den sidan av 4 x 8's att falla ner. En stark ansluter att T till en PIN-kod (en spik) som håller den andra T på plats. Så lossnar de båda samtidigt i starka vindar, vilket gör att båda 4 x 8 att falla till marken.
Kostnaden
Lowes:
$26 PVC delar (se nedan)
$22 två 4 x 8 isoleringsplattor
$5 PVC lim
$2 två 1/4" öga bultar, 1.5 till 2.5 inches lång, 6 1/4" nötter
$2 tre fot 1/4" skruv rod från Lowes
$5 tydliga förpackningstejpen, bred plast saker som 3M.
$5 bra epoxy som JB-kwik.
EBay
elektronik alternativ 1: $20 för fyra 9 V 150 mA solceller
elektronik alternativ 2: $4 12 V växelspänning, > 100 mA, $2 fyra IRF530 mosfets, åtta 10 Mohm motstånd, $3 24 50 mA 5 mm lysdioder av färg eller infraröd (6 behövs för att driva slå på den billiga mosfets)
$15 två 12 VDC motorer, ca 100 mA, vertikal rörelse 20 RPM, horisontell rörelse 50 RPM. 1 motor är valfri om metoden enda axel jag ska beskriva mer i detalj senare. (1/4" skruvarna är 20 varv per tum, så 1 till 2,5 inches per minut. Mer än 50 RPM är inte tillräckligt kraftfullt för 1 W motorer)
$20 för 4 mil aluminiserat mylar. ($4 för 4 akuta filtar är möjligt men inte mycket hållbara med tanke på alla de rörliga och stöta i styrelserna)
Gratis små mätare elektrisk tråd från någonstans. (beror starkt på din setup och min slutliga utformningen för att placera sensorer antingen stänga framför heliostat eller bredvid målet... kunde få dyra.) Valfri justering: endast 1 solcell behövs om enkelverkande och manuellt återställa morgonen.
Total kostnad:
$123 2 axis metod, med hjälp av solceller
$111 för 2-axlig metod med elektronik
Verktyg som krävs för
Bågfil
Borra med bra utbud av bitar från 3/32" till 1/4".
Dremel verktyg eller vinkel kvarnen att hjälpa speciella PVC nedskärningar och "rectangularize" ändarna av skruven 1/4" och motor axlarna så att de inte glider medan roterande.
Tillval: lödkolv och löd om du använder alternativet elektronik.
PVC-lista:
en $2 10' 3/ 4" rör hög PSI (480) för nedre armar och axel, $2 en 10' 1" PVC pipe lågt tryck (övre armar)
en $3 10' 1" rör hög PSI (450)
$4 10 pack 3/4 armbågar (behöver 6)
$6 10 pack 1" armbågar (behöver 6)
$2 fem 3/4 par
$6 10 pack 1" T
två $1 1" kopplingar
0,50 $ 1,25" koppling
Bygga på axeln: 3/4" kopplingar rotera alldeles insida 1" TS Anslut två 3/4" kopplingar med 3" av 3/4" rör gå in en 1" T, så 3/4" grejer roterar inuti. Nu 1" T: s, armbågar och kopplingar kan limma på utsidan av 3/4" kopplingarna, mycket nära varje sida av de 1" T så att de inte är limmade till den. Så är 1" grejer ansluten via axeln 3/4" till andra 1" grejer i 90 grader via en roterande 1" T. För att eventuellt göra den 3/4" axeln starkare mot böjning, Rock mitten 2" av 3/4" röret med epoxi och bädda in glasfiber eller hitta en 3/4" metallrör istället för PVC: N.
Ansluter motoraxeln till lång skruv: Det bara hårda sak som alltid verkar vara ett problem (med DIY som mig som inte svetsa... ännu) ansluter sig den 1/4" skruven axeln på slutet av motoraxeln. Hittills den bästa jag har är att skära 7 1/2 "x 1/2" bitar av PVC från en koppling som är hårdare plast och böja dem mer platt med tång. Metall snippers är lättare för detta än bågfil eller dremel. Sedan använda epoxy, inte PVC lim för att göra en bunt (de inte passar perfekt, så PVC cement är riskabelt). Detta bildar en hård block av plast att du kan borra varje ände, en för motoraxeln och en för skruven 1/4". Använda dremel att torget utanför både motor och skruv axlar och göra 2 side-by-side borra hål i plasten på varje sida, att passa varje axel, lämnar några spela i 1/4" axel hål så motorn inte"binder"stannar. För att hålla dem tillsammans och förhindra kraft på motoraxeln, en T-koppling eller slutet locket eller armbåge är fast framför motor (visas inte i nuvarande animering), 3/8" hål borras för 1/4" axel att passera, och en mutter på axeln är epoxied på varje sida av PVC hål för 1/4 "skruva kraft att vara på PVC istället för motor , lämnar motorn och dess PVC stack som skruven 1/4" inuti PVC: N. Motoriska mest bevaras från vrida inuti PVC med epoxi om du säker på dig själv eller med en skruv genom PVC sidan för din första prova om du är till skillnad från mig och därtill mer kloka.
Ansluta andra änden av lång skruv: om en 1/4" mutter svetsas in i ögat av ögat bulten, noggrant välja öga bulten från Lowes så att 1/4 muttern kan gå inuti och frikostigt tillämpa epoxi överallt kring slutet av ögat bult utom på den muttern trådar. Det bör kunna stödja 10 gånger mer kraft från vinden än resten av PVC heliostat kan stödja.
Rörligt motorer: Se de animerade GIF-bilderna. Jag hittade en liten skruv jag gillade och hittade en borr att matcha diameter. Sedan gjorde jag två mycket nära bågfil nedskärningar i 1" armbågen som visas.
Morgon reset:
Jag planerar att använda LED sensorn eller solceller som normalt skulle gå på västsidan av fönstret för att göra en morgon återställning. Jag kan tänka mig att placera detta på precis rätt plats i skuggan av heliostat med en förlängning av 12 AWG koppar tråd eller klädhängare från heliostat stöd bas för lätt böjning för justering av position. Så när solen kommer upp, kommer att sensorn orsaka heliostat vända österut tills sensorn är i skugga igen. Storleken på heliostat och närheten till målet bör tillåta detta arbeta medan det inte skulle fungera i de flesta heliostat situationer. Annars skulle du behöva använda min enda axel design beskrivs nedan för noggrannhet (långa avstånd) arbete. Såvitt jag vet, är den enda axel som jag har beskrivit ursprungliga arbete.
Valet av glas för fönster
Det är svårt att få exakta siffror på hur mycket ljus gör det genom typiska enkla och dubbla rutan glas, särskilt vid udda vinklar. På grund av järn i billiga glas (grön på kanterna) och "låga E" glas blockerar en massa ljus, verkar plexiglas vara bättre.
SLUTET UPPDATERING
Några tankar som fysik
Till lägsta teoretisk kostnad för solar koncentration med en heliostat använder aluminiserat mylar begränsas av vinden, en gemensam föreskrift att 1 kvm yta tåla 10 pounds av vindtryck. Teoretiskt, får jag att minst 1 kg av stål som behövs för varje (square meter)^(3/2) på 10 lbs/ft ^ 2 fram-back trycket utifrån en kabel design som jag tror är den mest effektiva (jag använde 400 MPa för draghållfasthet av stål). Så 1 m ^ 2 kräver 1 kg av stål för en säkerhetsfaktor av 2. 20 timmar av 1 kW sol på 1 m ^ 2 är den energi återbetalningstiden för 1 kg av stål. Vändbar energilagring är jämväl i slutändan baserad på den energi som behövs för att dra lagring molekylerna isär utan att bryta dem (direkt proportionell mot draghållfasthet), vara det komprimerad gasflaskor, svänghjul, nanocarbon wind-up fjädrar på axeln av en bil (min favorit idé) eller reversibel kondensatorer (inte ion-utbytt baserat som ändrar de faktiska obligationerna och därför är inte oändligt reversibel), som föredrar kol för energilagring på grund av den starka kol-kol bond och ljus vikt. Stål är bättre när kostnaden dominerar och vikt är inte en avgörande faktor.
Jag använde allmänt ändamål 3M sprejlim från Walmart och tydliga förpackningstejpen (för kanterna) för att fästa aluminiserat mylar ($20 från Amazon) på framsidan och baksidan av fyra 4 x 8 isoleringsplattor. Jag gjorde baksidan eftersom det gör styrelser verkligen starka och hållbara. Jag har använt dem för 3 eller 4 år nu med få tecken på "slitage" och förpackningstejpen fortfarande pinnar. PhD rysk fysiker Y_Po från theeestory föreslog isoleringsplattor, och Nekote föreslog den aluminiserat mylar.
Solen ljuset som träffar en direkt sol-som vetter mot 4 x 8 är 3000 Watt (3 meter ^ 2) så länge solen inte är för lågt på himlen. Det är ca 2 500 watt vid 9. Dubbel-rutan fönster och aluminiserat mylar blockera och reflektera bort omkring 18% av energin. Inramning av windows blocket ytterligare 10%. När ljuset går in i huset, kommer att bara 5% lämna tillbaka ut genom fönstret även om allt inuti är en ljus färg. Så effektiviteten handlar om (1-0,18) *(1-0.10) * (1-0,05) = 70%, 2 100 watt per 4 x 8. Allt annat är direkt uppvärmning, så detta är en mycket effektiv användning av solens energi. Om reflektorn är upp till 50% bredare än fönstret så att hela fönstret får solen i morgon och eftermiddag, är många gånger mer värme än ett söderläge fönster som lider kraftigt från "cosinus vinkel" förluster (se teknisk not nedan). Med en värmepump COP effektivare och billigare priset på naturgas och olja verser El antar jag att uppvärmningskostnaderna för att vara ungefär $0,08 per kWh jämfört med en direkt elektrisk värme-element värmare som kostar ca $0.13 per kWh i USA. Med 3 kW av solen för varje isolering ombord och 6 bra timmar solen slår det nästan direkt och 80% soliga dagar denna metod sparar ca 2.1W * 6 * 0,80 * 0,08 $/ kWh = $0,81 per dag per 4 x 8 som är $244 för två 4 x 8 s på 1 heliostat för 150 dagar vintern (5 månader). Min observerade besparingar håller med denna beräkning, även med eken blockerar solen och ineffektiva reflektor sikte.
2 välplacerade 4x8s och en stor norr fönster behövs för varje 1.500 kvm att sänka uppvärmningskostnaderna i hälften, eller mer. Huset kommer att nå över 80 F och med god isolering kan normala värmaren inte behövas fram till midnatt. Vår vände på ca 9 pm (södra USA 1979 house, 50 F nätter, värmare inställd 70 F).
Brand frågan: isoleringsplattor kan böja, så ljuset kan bli koncentrerad tillräckligt för att orsaka en brand. Jag rökt"" en dyr stol i matsalen som gjordes av mörk-färgade trä, och smält plast-delar av en Kina skåp. Jag gjorde detta efter att jag var fullt medveten om faran, så att vara medveten om denna fara inte betyder skador kommer att förhindras. Det måste finnas en mellersta stöd för 4 x 8's att böja dem något utåt.
Enkelverkande Heliostat (Endast bra för vintern och över 20 grader latitud)
Det är möjligt att använda bara 1 solcell på östra sidan av fönstret och 1 DC-motor (en roterande axel) men det kräver manuellt justera spegellutning en gång i veckan, och manuellt återställa varje kväll eller morgon. Faktiskt, du vill heliostat peka ner till marken på natten eftersom himlen (mellanslag) kommer att "absorbera" mycket mer Stefan – Boltzmanns strålning (Twindow ^ 4-Tspace ^ 4) från windows än träd eller till och med snö på marken eftersom himlen är ca 50 F lägre i sin svart-svartkroppsstrålning temperatur än rumstemperatur marken strålning. Om du har en termisk termometer kan du följa detta genom att rikta den mot himlen, speciellt på natten.
För amerikanska breddgrader och heliostat center på samma höjd som fönstret och direkt norr om fönstret, anger du den
single axis grader över norra horisonten = 0,83 * latitude - 6,9
Detta är för mindre än 0.5 grader fel från 9 am till 3 pm, endast på vintern. I botten och toppen av reflektorn är vinkelrät mot denna axel (kör öst-väst) men reflektorn måste luta uppåt på denna enda axel mot fönstret target från 35 till 60 grader beroende på dag av vintern (solens deklination) och din latitud. Ekvationen är
Spegel luta grader från axeln = latitud/3 + 26.3 +15.3*sin(days)
där "dagar" är upp till 90 före eller efter 22 December, skylten gör ingen skillnad för sin() funktion. Noll vinkeln är när spegeln sitter vinkelrätt på axeln, vilket återspeglar söderut ner i marken. Lägga 90 om utgångsläget är det är ansiktet på axeln, eller ta bort numret från 180 om det börjar på det tillbaka. Jag utvecklat dessa ekvationer, så du inte hittar dem någon annanstans. De har ungefär 0.5 grader fel. Om heliostat är x grader ovan (eller - x om nedan) mål, lägga till 5x/(latitude-15) till 1. ekvationen ovan och 5x/(latitude-60) till andra. Jag kollade denna justering för heliostat upp till 30 grader över målet, men det fungerar bara för mindre än 1 grad fel för heliostat upp till 10 eller 15 grader under målet. Du så högt som möjligt i förhållande till heliostat utan skuggan av taket blockerar heliostat eftersom du förlora "cosinus vinkel" effektivitet, men en enda axel inte fungerar mycket bra om din målfönstret är mycket mer än 15 grader högre än heliostat målfönstret.
1: a exempel: 30 graders latitud 22 December ger 18 för första ekvationen och 36,3 för andra ekvationen. På middagen på denna breddgrad och datum kommer solen att 36.6 grader på himlen. Spegeln är 36,3 grader upp från axeln, men axel är 18 grader under södra horisonten, så vinkeln upp från horisonten är 36,3-18 = 18,3, som är halvvägs upp mot solen som det ska vara (36 grader istället för 36.6, 0,0 grader fel).
2: a exempel: samma exempel utom 45 latitude. Solen är 21,6 grader mitt på dagen. 1. eq: 30.45 grader tilt beliow södra horisonten. 2. eq: 41,3 grader uppåt. så 41,3-30.45 = 10,85, som är perfekt om solen var 2 * 10,85 = 21,7 grader högt på himlen i stället för 21,6, så i det här exemplet har ett fel på 0.1 grader.
Ett problem är att dessa stora heliostater får för bort från perfekt mittpunkten. Finjustera din setup för att vara mer exakt baserat på observation tar ett besök på morgonen, mitt på dagen och eftermiddagen, i flera dagar. Och flytta den troligtvis. Så allt som allt kan 2 axis med att låta solen sensorer undvika alla beräkningar som jag beskrev ovan vara bäst. Min trä-struktur bilder visar 3 axel eftersom 1 axel var för att testa denna enda axel idé.
Bilderna visar ett tidigare försök, en "stand" som hölls tre 4 x 8's för ett fönster, men värme intensitet det var för farligt och justering av vinkeln på varje bräda flera gånger om dagen var jobbigt. Min design var inte tåla mer än 15-20 mph vind.
Jag ser också till en vatten-absorber heliostat design med en bil radiator för målet och en annan för värmeavgivning inne i huset som inte behöver Fönstren och kan lagra energi på natten. Det har mindre problem att vinden på marken i stället för mitt höga däck. 15 mph var max vind de kunde ta och träskruvar få lös för mycket. Men märker att jag har gjort det i flera år nu och fördelarna är tillräckligt stor för att jag inte kan stoppa. Vinter utan sol i mitt hus har blivit otänkbart (jag jobbar hemifrån, så det är viktigare för mig än för andra).
Jämförelse med söderläge windows: 48 grader är genomsnittet av 3D vinkeln mellan solen och en direkt södra målfönstret (heliostat på grund norr är vertex, samma höjd som fönster) från 1 November till den 1 April från 8:30 am till 3 pm och latitud 32 grader (Atlanta). Vid latitud 41 grader (Chicago) genomsnittet är 41 grader. Genomsnittligt "cosinus vinkel" ljus förlust södra motstående fönster är därför cos (48) = 0,66 = > 34%. En heliostat som pekar halvvägs mellan fönstret och solen är mindre än hälften av detta, eftersom cosinus effekten: cos(48/2) = 0,91 = > endast 9% förlust. Men om heliostat är tillräckligt stort, omkring 50% bredare än fönstret, det finns ingen cosinus vinkel förlust. Diagonalen av ett 6 x 6 fönster eller glasskjutdörr är 8,5 fot, så en 12 fot bred heliostat över diagonalen är rimlig eftersom du verkligen vill ha morgon värme. Komma tillbaka till jämförelsen till ett söder fönster, finns det en ytterligare högre reflexionsförlusten från södra fönster från brantare sun-incident vinklar om det är före 09: 00 eller efter 3 pm, nära 60 grader incident vinkel.
Varm luft låda
Jag har också byggt varmluft lådor (se sista bilden för hur man dubbla ljus in i en varm luft låda som har växthus plast som "fönstret". Reflexer på varje sida har fastställts till 30 grader tilt tillbaka. 6" kanalsystemet till och från huset är det största problemet. 50% effektiv verser 70% effektivitet av aluminium kan mönster (inte värt besväret)... en 4 x 8 behov minst 100 CFM 4" fläkt från MPJA eller bgmicro. Stöd var 4 x 8 isolering styrelsen målade med svart Rustoleum hög temp färg. Det var ingen plywood bakningen, bara 1/4" playwood (luan) sidor med en $2 hyllor fäste i varje hörn och två 1 x 2 på 1/3 och 2/3 längd isoleringens styrelse för stöd... vägde endast 15 pounds. Mylar-belagd reflektorer vikas över för att stänga rutan för transport. Se min youtube-kanal om du vill få galen med varmluft box beräkningar och se enkelverkande heliostat rotera.
http://www.youtube.com/user/HudsonKnowsEconomics