Параболическое зеркало. Или варим суп без огня. Постройка любительского телескопа из китайских комплектующих Я знаю: Солнечный концентратор своими руками - SolarNews
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 – .
Пустыня Атакама в Чили - райское место для астрономов. Уникальная чистота воздуха, благоприятные атмосферные условия в течение года и крайне низкий уровень светового загрязнения делают этот негостеприимный район идеальным местом для строительства гигантских телескопов. Например, телескоп E-ELT , под который уже готовят строительную площадку . Однако это не единственный масштабный проект подобного рода. С 2005 года ведутся работы по созданию ещё одного впечатляющего астрономического инструмента, Гигантского Магелланова Телескопа (GMT). Так он будет выглядеть после окончания строительства в 2020 году:
В основе его оптической системы лежит отражающая поверхность из 7 огромных круглых зеркал. Каждое диаметром 8,4 м и весом 20 т. Само по себе изготовление таких зеркала, да ещё и с требуемой точностью, представляет настоящий инженерный шедевр. Как же создаются подобные изделия? Об этом - под катом.
На текущий момент изготовлено два зеркала, третье отлито и постепенно охлаждается, четвёртое запланировано к отливке на конец этого года. Производственный процесс разработан специалистами Лабораторией зеркал обсерватории Стюарда Университета Аризоны (University of Arizona"s Steward Observatory Mirror Lab).
Каждое зеркало составляется из большого количества шестиугольных сегментов, что позволило в 5 раз снизить массу изделия по сравнению цельнолитым зеркалом такого же размера. Заготовки из высококачественного боросиликатного стекла изготавливаются в Японии. Толщина сегментов не превышает 28 мм, что положительно влияет на условия эксплуатации - такое зеркало будет быстро принимать температуру окружающей среды, что предотвратит возникновение колебаний воздуха у поверхности и искажение изображения.
Подложки для сегментов зеркала.
Также облегчённость конструкции самих зеркал позволит собрать отражающую поверхность диаметром 25 метров всего лишь из 7 основных и 7 вторичных зеркал. Это в разы облегчает управление и настройку телескопа. Сравните это с 798 сегментами в проекте E-ELT.
После укладки стеклянных заготовок на подложки (1681 шт), сверху вся площадь будущего зеркала накрывается огромной вращающейся печью. Температура достигает 1178 градусов Цельсия, скорость вращения печи - 5 оборотов в минуту. В результате сегменты сплавляются и образуют единый стеклянный массив с параболической формой поверхности. Вращение печи за счёт центробежной силы как раз и позволяет грубо сформировать параболическую поверхность.
После этого начинается долгий процесс контролируемого равномерного охлаждения, в той же самой вращающейся печи. Он занимает три месяца, чтобы предотвратить появление трещин из-за слишком быстрого охлаждения. По окончании охлаждения, будущее зеркало аккуратно снимается с термостойкой подложки и переносится на полировочный стенд.
Далее начинается ещё более длительный и кропотливый процесс полировки зеркала. В отличие от зеркал сферических, кривизна поверхности которых постоянна, полировка гигантского параболического зеркала высочайшей точности представляет собой очень непростую задачу. В случае с зеркалами для ГМТ отклонение от сферической формы составило 14 мм.
Вообще, параболические линии и поверхности являются, так сказать, неестественными. Почти весь доступный и создаваемый инструментарий так или иначе связан с окружностями и сферами, поэтому учёным и технологам пришлось поломать голову над полировкой зеркала.
Один из основных инструментов представляет собой вращающийся диск диаметром около 1 м, с дозаторами полировальных веществ. Диск может перемещаться вдоль направляющей рельсы, в то время как само зеркало вращается вокруг оси на полировальном стенде.
Это алмазный шлифовальный инструмент для основной обработки поверхности, предназначенный для выравнивания большинства дефектов поверхности стекла и придания седловидной формы. Дело в том, что в ходе вращения жидкое стекло приняло форму симметричной параболы, что является наиболее близким приближением. И для получения седловидной параболической поверхности осуществляется управляемое компьютером шлифование, в ходе которого снимается 6-8 мм стекла. Точность обработки поверхности на данном этапе достигает 100 микрон.
Далее начинается полирование. После каждого цикла полировки с помощью интерферометра проводится измерение поверхности зеркала. Лазерным лучом сканируется вся площадь зеркала, а различные отклонения отражённого луча на выпуклостях и впадинах фиксируются и составляется карта дефектов. Разрешение интерферометра составляет около 5 нанометров.
На основании составленной карты дефектов компьютер управляет инструментами в ходе последующего цикла полировки, тратя больше времени или применяя большее давление при обработке конкретных участков. Для точечного исправления обнаруживаемых одиночных дефектов также использовались полировальные круги диаметром от 10 до 35 см с достаточно гибкими подошвами, повторяющими кривизну поверхности зеркала.
Для задач, которые будет выполнять телескоп, допускается наличие дефектов поверхности не более 25 нанометров. И добиться этого очень непросто. Полировка первого зеркала в итоге заняла около года.
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)
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…
Очень давно хотелось изготовить солнечный параболический концентратор. Прочитав массу литературы по изготовлению формы для параболического зеркала, я остановился на простейшем варианте - спутниковой тарелке. Спутниковая тарелка имеет параболическую форму, которая собирает отраженные лучи в одной точке.
За основу присмотрел Харьковские тарелки "Вариант". По приемлимой для меня цене мог приобрести только 90 сантиметровое изделие. Но цель моего опыта - высокая температура в фокусе. Для достижения хороших результатов необходима площадь зеркала - чем больше, тем лучше. Поэтому тарелка должна быть 1,5м, а лучше 2м. В ассортименте Харьковского производителя есть данные размеры, однако изготовлены они из алюминия, и соответственно цены заоблачные. Пришлось нырнуть в интернет, в поисках б/у изделия. И вот в Одессе, строители разбирая какой-то объект, предложили мне спутниковую тарелку размерами 1,36м х 1,2м., изготовленную из пластика. Немного не дотягивала до моих пожеланий, однако цена была хорошей, и я заказал одну тарелку.
Получив через пару дней тарелку, обнаружил, что изготовлена она в США, имеет мощные ребра жесткости (я переживал,
достаточно ли крепкий
корпус, и не поведет ли его после наклейки зеркал), и крепкий механизм ориентирования с множеством настроек.
Также приобрел зеркала, толщиной 3мм. Заказал 2 кв.м. - немного с запасом. Зеркала продаются в основном толщиной 4 мм., нашел троечку, чтобы легче было нарезать. Размер зеркал для концентратора решил сделать 2 х 2 см.
После сбора основных комплектующих приступил к изготовлению подставки для концентратора. Нашлось несколько уголков, кусочков труб и профильков. Нарезав по размерам, сварил, зачистил и покрасил. Вот что получилось:
Итак, изготовив подставку, принимаюсь за нарезку зеркал. Зеркала получил размерами 500 х 500 мм. Первым делом разрезал пополам, а потом сеткой 2 х 2 см. Перепробовал кучу стеклорезов, однако сейчас найти в магазинах, хоть что-то толковое, не представляется возможным. Новый стеклорез режет идеально 5-10 раз, и все.... После этого можно сразу выкидывать. Возможно есть какие-то профессиональные, но покупать их надо не в строительных магазинах. Поэтому, если кто-то соберется сделать концентратор из зеркал, вопрос о порезке зеркал самый трудный!
Зеркала нарезаны, тренога готова, приступаю к поклейке зеркал! Процесс долгий и нудный. У меня количество зеркал на готовом концентраторе получилось 2480 штук. Клей выбрал неправильный. Купил специальный клей для зеркал - держит хорошо, но он густой. При наклейке, выдавливая капельку на зеркало и прижимая потом к стенке тарелки, есть вероятность неравномерно прижать зеркало(где-то сильнее, где-то слабее). От этого зеркало может быть приклеено не плотно, т.е. будет направлять свой лучик солнца не в фокус, а около него. А если фокус будет размыт - высоких результатов ждать нечего. Забегая вперед, скажу, что у меня фокус получился размытым (из чего делаю вывод о том, что необходимо было применить другой клей). Хоть и результаты опыта порадовали, но фокус был размером приблизительно около 10 см, а вокруг еще размытое пятно еще по 3-5 см. Чем меньше фокус, тем точнее фокусировка лучей, тем соответственно будет выше температура. На поклейку зеркал у меня ушло почти 3 полных дня. Площадь нарезанных зеркал составила около 1,5кв.м. Был брак, вначале, пока не приспособился - много, позже существенно меньше. Бракованные зеркала составили, наверное, не более 5 %.
Солнечный параболический концентратор готов.
При замерах, максимальная температура в фокусе концентратора составила не менее 616,5 градусов. Солнечные лучи помогли поджечь деревянную доску, расплавить олово, свинцовый грузик и алюминиевую пивную банку. Эксперимент я проводил 25 августа 2015 года в Харьковской области, пгт.Новая Водолага.
В планах на следующий год (а может быть получится и в зимний период) приспособить концентратор для практических потребностей. Возможно для нагрева воды, возможно для выработки электроэнергии.
В любом случае, всем нам природа дала мощнейший источник энергии, надо только научиться им пользоваться. Энергия солнца в тысячи раз перекрывает все потребности человечества. И если человек сможет взять хотя-бы малую часть этой энергии, то это будет величайшим достижением нашей цивилизации, благодаря которому мы сохраним нашу планету.
Ниже представлен ролик, в котором вы увидите процесс изготовления солнечного концентратора на основе спутниковой тарелки, и опыты, которые с помощью концентратора получилось сделать.
