XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Энергия Солнца: Ловцы солнечных лучей

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Самойлов Д.Е. 1

---

1МБОУ "Многопрофильный лицей №187"

Миначева Л.Р. 1

---

1МБОУ "Многопрофильный лицей №187"г. Казань

Работа в формате PDF

3.3 MB

Введение

Однажды поехав с папой на рыбалку на озеро и порыбачив там несколько часов, мы решили позвонить маме и предупредить, что задержимся, обнаружили что зарядка у телефона села. В тот момент я задумался: - А как можно получить энергию, не имея под рукой электричества? Эта ситуация повлияла на выбор темы моего проекта.

Современный мир человека – это мир электроприборов и различных гаджетов. С каждым годом потребление электроэнергии увеличивается, а природных ресурсов становится все меньше и меньше [3, 4]. Если потребности человека будут все также расти, то может не остаться источников энергоресурсов – нефти, газа, каменного угля. К тому же ежегодно численность людей на нашей планете увеличивается. Это также приводит к увеличению энергопотребления. Что же тогда нам делать? Нужно искать другие источники энергии. Одним из таких источников могут быть солнечные батареи.

Земля каждый день получает от Солнца в тысячу раз больше энергии, чем ее вырабатывается всеми электростанциями мира [4,12]. Поэтому однажды люди задумались, а не использовать ли солнечный свет и тепловую энергию?

Актуальность исследования для меня состоит в том, чтобы научиться практически использовать хотя бы небольшое количество солнечной энергии и раскрыть больше фактов о Солнце, что послужит причиной дальнейшего исследования в данной теме. Тем более, что солнечная энергетика является экологически чистой, и не наносит вред окружающей среде, об этом я и расскажу [6].

Поэтому цель моего исследования выяснить, что представляет собой солнечная энергия и исследовать возможности использования солнечной энергии в быту.

Перед собой я ставлю следующие задачи исследования:

1. Изучить литературу и узнать, что такое солнечная энергия;

2. Найти информацию о том где и как используется солнечная энергия в мире;

3. Найти и изучить информацию о разных «ловушках» для солнечной энергии (приборы и технологии);

4. Создать «ловушки» для солнечной энергии (научиться работать с различными материалами, научиться работать паяльником, разбираться в простых схемах электричества);

5. Провести опыты по «ловле» солнечной энергии;

6. Создать свою модель «Ловца», работающего на солнечной энергии.

Я выдвигаю гипотезу исследования, что солнечное излучение можно научиться использовать как альтернативный источник энергии.

Объектом исследования является солнечная энергия.

Предмет исследования – практическое применение солнечной энергии в быту и «Ловцы» солнечной энергии.

Методами моего исследования является поиск, изучение, сбор информации, анализ, наблюдение, моделирование, эксперимент, фотографирование.

Практическая значимость: в результате работы над проектом хочется получить реальное устройство, работающие на солнечной энергии, для возможности наглядно продемонстрировать энергию солнца.

Глава 1. Теоретическая часть: Знакомство с Солнцем

1. 1. Солнце и его Энергия?

Солнце— это огромная, раскалённая звезда в центре нашей Солнечной системы, гигантский шар горячего газа, который светит и греет благодаря ядерным реакциям в его ядре, давая свет и энергию для жизни на Земле [2, 12]. Вокруг него вращаются планеты, включая Землю, астероиды и кометы, метеороиды и космическая пыль.

Солнечная энергия — это свет и тепло, которые излучает наша ближайшая звезда, Солнце. Но за этим простым определением скрывается настоящее чудо природы.

Можно представить себе Солнце как огромный ядерный реактор, расположенный в 150 миллионах километров от нас. В его центре, при огромной температуре и давлении, происходят термоядерные реакции: маленькие частицы водорода соединяются, превращаясь в гелий [3]. В ходе этой реакции высвобождается колоссальное количество энергии. Эта энергия в виде фотонов (крошечных частиц света) и теплового излучения преодолевает космическое пространство и всего за 8 минут долетает до Земли. Часть этой энергии задерживается атмосферой, а остальное достигает поверхности планеты, даруя ей жизнь.

Почему она так важна? Солнечная энергия — это первичный источник почти всей энергии на Земле.

Именно благодаря ей дует ветер, солнце неравномерно нагревает воздух. Круговорот воды в природе (испарение, образование облаков, дождь) тоже запускается солнечным теплом [3]. Растения с помощью фотосинтеза «ловят» солнечный свет и превращают его в химическую энергию, которой питаются все животные и люди. Даже ископаемое топливо (уголь, нефть, газ) — это, по сути, «консервированная» солнечная энергия древних растений и организмов, накопленная за миллионы лет [4].

Таким образом, человек, используя солнечную энергию напрямую, обращается к самому чистому и неиссякаемому источнику, который питает нашу планету миллиарды лет.

1.2. Кто такие «Ловцы солнечных лучей». Виды «Ловцов»

Как же поймать солнечные лучи и получить энергию? Существуют так называемые «Ловцы солнечных лучей» — это общее название для технологий и устройств, созданных человеком для прямого преобразования солнечного излучения в полезные формы энергии [6, 8]. Их можно разделить на два больших семейства по принципу действия.

1. Фотоэлектрические «ловцы» (Преобразуют свет в электричество).

Основное устройство: Солнечная батарея (панель), состоящая из множества фотоэлементов. Главный материал — кремний [5].

Как работают (очень просто)? Представь, что солнечный луч — это поток крошечных шариков (фотонов). Когда они ударяют в специальную пластину из кремния, они выбивают из её атомов электроны (ещё более мелкие заряженные частички). Это выбивание создаёт направленное движение — электрический ток. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом [5, 9].

Внешний вид: Темно-синие, почти чёрные панели с характерной сеткой или квадратами. Бывают гибкими и даже полупрозрачными.

2. Тепловые «ловцы» (Преобразуют свет в тепло)

Основное устройство: Солнечный коллектор. Его главная задача не создать электричество, а нагреть вещество (чаще всего воду или антифриз) [5].

Здесь используется простой физический принцип: тёмные поверхности поглощают тепло лучше светлых. Коллектор — это хорошо изолированная коробка с чёрной поглощающей пластиной внутри, накрытая стеклом (оно создаёт «парниковый эффект», не выпуская тепло обратно). По трубкам внутри течёт жидкость, которая, нагреваясь, поступает в бак для горячей воды или в систему отопления.

Внешний вид: Чаще это черные емкости или плоские панели на крышах или вакуумные трубки, похожие на длинные стеклянные термосы.

3. Пассивные «ловцы» (Используют энергию без сложных устройств)

Это не приборы, а архитектурные и планировочные решения [11].

Очень большие окна, выходящие на южную сторону, чтобы зимой в дом проникало больше солнечного тепла. Специальные материалы в стенах, которые днём накапливают тепло, а ночью отдают его. Правильная посадка деревьев, которые летом дают тень, а зимой, сбросив листву, пропускают солнце.

1.3. Как используют солнечную энергию в мире?

Изучив литературу, я узнал, что в настоящее время уже применяются солнечные батареи во время космических экспедиций. Идея их применения впервые появилась больше полувека назад, во время первых запусков искусственных спутников земли. В тот период, в СССР, профессор и специалист в области физики, особенно в сфере электричества – Николай Степанович Лидоренко, обосновал необходимость применения бесконечных источников энергии на космических аппаратах. Такой энергией могла быть только энергия солнца, которая добывалась с помощью солнечных модулей [2, 4].

В настоящее время все космические станции функционируют исключительно за счет солнечной энергии. Использование солнечной энергии перестало быть экзотикой и превратилось в мощную индустрию [9].

Основные направления использования солнечной энергии:

1. Крупномасштабная энергетика: Солнечные электростанции (СЭС).

Фотопарки - гигантские поля (иногда площадью в сотни футбольных полей), заставленные рядами солнечных панелей. Они часто строятся в пустынных регионах (Сахара, Чили, Аравийский полуостров), где много солнца.

Солнечные тепловые электростанции используют не панели, а зеркала (гелиостаты), которые концентрируют лучи в одной точке на вершине башни [10]. В этой точке температура достигает сотен градусов, нагревается жидкость, образуется пар, который крутит турбину, как на обычной ТЭЦ.

2. Солнечная энергетика в городах и посёлках.

Постройки на крыше: Крыши целых кварталов в Германии, Японии, Австралии покрыты солнечными батареями. Дома не только потребляют, но и производят электричество, а излишки продают в общую сеть.

Солнечные фасад: Современные здания иногда целиком облицовывают специальными фотоэлектрическими панелями, которые служат и стеной, и генератором.

3. Солнечная энергия для инфраструктуры. Уличные фонари, светофоры, системы видеонаблюдения, точки доступа Wi-Fi в парках — всё это может работать автономно от маленькой солнечной панели и аккумулятора. Зарядные станции для электромобилей на солнечной энергии.

4. Помощь в труднодоступных регионах. Солнечные панели — спасение для удалённых деревень в Африке, Азии, в горах, на островах, куда дорого тянуть линии электропередач. Они дают свет в домах, работу холодильникам для лекарств в медпунктах, возможность учиться вечером.

В 2025 году человечество сделало исторический шаг — впервые солнечные и ветровые электростанции выработали больше электроэнергии, чем угольные.

«Солнечная и ветровая энергетика развиваются достаточно быстро, чтобы идти в ногу с мировым спросом. Это начало реального перехода к чистой энергии.

Главный драйвер изменений — Азия. Китай увеличил производство возобновляемой энергии больше, чем все остальные страны мира вместе взятые, сократив использование ископаемого топлива на 2%. Индия — ещё более впечатляющий пример: объёмы чистой энергии выросли в три раза быстрее, чем внутренний спрос на электроэнергию, что позволило снизить потребление угля и газа на 3,1% и 34% соответственно [9].

«Будущее энергетики — солнечное. Но важную роль сыграют и ветер, вода, биомасса и геотермия».

По прогнозам, Китай сохранит лидерство, а Индия выйдет на второе место в мире по объёмам чистой генерации (рис. 1). Солнечная энергетика также стремительно набирает обороты в Саудовской Аравии, Пакистане и странах Юго-Восточной Азии [9].

Разработка автомобилей с двигателем на солнечной энергии до сих пор находится на стадии экспериментов, но каждый год начиная с 1985г. проводятся гонки автомобилей, работающих только на энергии Солнца [4].

В 2009 году в Швейцарии был представлен первый в мире пилотируемый самолет, способный летать исключительно за счет энергии Солнца. Пилотируемые самолеты на солнечных батареях— это экспериментальные летательные аппараты, использующие фотоэлектрические панели для питания электродвигателей, способные к длительным беспосадочным полетам (включая ночь) за счет накопления энергии. В 2025 году пилотируемые самолеты (рис.2) проекта Solar Impulse совершили кругосветное путешествие [4].

А что же в России? Как оказалось, наибольшие дозы солнечного излучения получают вовсе не черноморские курорты страны. На самом деле, рекордсменами по данному показателю оказались пограничные с Китаем территории и Северная Земля [6].

В Якутии построена самая мощная в мире солнечная электростанция, расположенная севернее полярного круга. Оборудование рассчитано на работу в климате с перепадом температур от +40 до -45 градусов Цельсия. В селе Кош-Агач работает первая в Сибири солнечная электростанция [6]. (рис. 3) Крымская солнечная электростанция «Перово» — четвертая по мощности станция в мире.

В Сочи на вокзале Олимпийский парк используется масштабная инсталляция фотоэлектрических солнечных батарей на крыше, которая  может обеспечивать получение электроэнергии в размере 10% годового электропотребления вокзала при его полной загрузке. На крыше железнодорожного вокзала Адлер (рис.5) установлена масштабная система солнечных коллекторов, которая греет воду. Использование системы солнечных коллекторов для производства горячей воды на нужды вокзального комплекса позволяет экономить порядка 30% затрат на отопление и удовлетворение технологических потребностей объекта в горячей воде. Также на прилегающей территории установлены незаметные автономные опоры освещения с солнечными микро-панелями и встроенными вертикальными ветровыми микро-турбин.

Казань, находящаяся в средней полосе России, не может похвастаться таким большим количеством солнечных дней как южные регионы, но и у нас мне удалось найти примеры использования солнечной энергетики, преимущественно в экспериментальном режиме, при ЖКХ и в городской инфраструктуре: солнечные панели установлены на крыше дома №2 по ул. Волгоградской, в ЖК «Манхэттен» (рис.7) на десяти «умных» остановках общественного транспорта, а также в виде арт-объекта «Энергососна» в парках. Также на казанской электроподстанции «Киндери» (рис.4), установили солнечные батареи: 103 панели мощностью 500 Вт каждая [7].

Необычные светофоры, мигающие предупредительным желтым сигналом установлены на пешеходных переходах. Светофоры на солнечных батареях крепятся над знаком «Пешеходный переход», и сигнал, который они посылают, очень хорошо виден в сумеречное и ночное время суток. Приборы обладают низким энергопотреблением, и солнечной энергии им достаточно для питания. Один из таких светофоров расположен недалеко от моей школы (рис.6).

Также солнечные модули установлены в Иннополисе. Шлагбаум на КПП открывается при помощи солнечной энергии.

1.4. Как используется солнечная энергия в быту?

Познакомившись с литературой по данной теме[5, 8, 11], я решил приступить к изучению возможностей использования солнечной энергии в повседневной жизни.
Для начала задал себе вопрос: - а использует ли моя семья и я возможности которые дарит нам Солнце? Оказалось, что да!

Солнечные технологии проникли в наш дом и стали частью повседневности. Вот где мы с ними сталкиваемся:

Электроника и гаджеты:

Кто не знает про калькулятор на солнечных батарейках? Самый массовый бытовой «ловец».

Наручные часы с функцией подзарядки от солнца.

Переносные Портативные аккумуляторы (power bank) со встроенной солнечной панелью — незаменимая вещь в походе или при долгих переездах.

Умные колонки и Bluetooth-динамики для пикника.

Дом и сад:

Садовые и парковые светильники, автоматически включаются в сумерках (такие есть у нас в загородном доме). Декоративные фигурки, фонарики вдоль дорожек. Заряда солнечной батареи садовой лампы в течение дня хватает на всю летнюю ночь [5]

Системы автоматического полива для теплиц и грядок, растения на даче поливают теплой водой из бочек, нагретой солнечными лучами. Для снижения суточных колебаний температуры весной в парниках, применяют простое устройство из пластиковых бутылок с водой. Днём они накапливают тепло, а ночью отдают, оберегая рассаду (рис.8).

Теплицы помогает с помощью солнечной энергии и парникового эффекта создать благоприятный микроклимат и увеличить урожайность [11].

Компактные системы для нагрева воды в дачном душе или в бассейне.
У моего друга душ используется 2 сезона (рис.9). У соседа по даче объем бака 500 л. После заполнения водой или после затяжных дождей, вода прогревается в течение нескольких дней. Душем можно пользоваться, начиная с мая месяца, особенно если он теплый как в последние годы, и по август. В летние месяцы, при переменной облачности и кратковременных дождях температура воды 29-37°С, в жаркие дни доходит до 42-45°С. Количества горячей воды вполне достаточно, чтобы могли принять душ 2-3 человека.

А также не использовали солнечную энергию для сушки белья. Самый простой эксперимент показал, что белье быстрее сохнет на открытом воздухе на солнце, чем в помещении.

Солнце можно использовать для сушки на зиму овощей и фруктов.

Электроника и гаджеты:

Игрушки, конструкторы, машинки, вертолёты, роботы на солнечных батарейках, наглядно демонстрирующие принцип работы [4].

Зарядные устройства для велосипедных фар, GPS-навигаторов, телефонов во время велопохода [13].

Яхты и катера с солнечными панелями для питания бортовой электроники.

Изучив информацию, я могу сделать вывод, что Солнечная энергия — это фундаментальная сила природы. Человеческая изобретательность создала целый арсенал «ловцов» — от сложных электростанций до простых бытовых устройств, — чтобы превращать свет и тепло Солнца в удобную и чистую энергию. Её использование по всему миру и в нашей повседневной жизни показывает, что будущее за умными технологиями, которые дружат с природой.

Используя даже маленький солнечный фонарик, мы экономим электричество, выработанное на электростанциях, сжигающих уголь или газ. Это снижает вредные выбросы в атмосферу и помогает бороться с изменением климата [6]. Каждый маленький «ловец» в быту вносит свой вклад в большое и важное дело — сохранение нашей планеты.

Глава 2. Практически-исследовательская часть: Опыты в «Лаборатории Ловцов»

Изучив что же такое энергия солнца, где она используется и какими способами ее можно «поймать» мне стало интересно какие опыты я смогу провести чтоб проверить энергию солнца в действии [5, 8].

2.1. Опыт №1: «Солнечный концентратор» (Лупа и дерево)(рис.10)

В этом опыте мы используем увеличительное стекло (лупу), чтобы поймать и сконцентрировать солнечные лучи в одну точку. Это один из самых наглядных способов увидеть силу солнечной энергии.

Цель опыта

Показать, что солнечную энергию можно собрать в маленький пучок и с её помощью нагревать предметы до высокой температуры. Это доказывает, что солнечный свет несёт энергию, которую можно «ловить» и использовать.

Оборудование

• Увеличительное стекло (лупа) с большой линзой (чем больше, тем лучше).

• Сухая деревянная палочка, дощечка или щепка (лучше всего берёзовая или сосновая — они быстрее начинают тлеть).

• Солнечный день (солнце должно быть ярким, без облаков).

• Ёмкость с водой на случай возгорания.

Ход работы

Обязательное исполнение техники безопасности! (Приложение 1)

Подготовка

 Мы выбрали место на улице, где солнце светит прямо. Приготовили деревянную дощечку, лупу и бутылку с водой.

Фокусировка

 Взяли лупу и расположите её над деревом. Двигали лупу вверх и вниз, пока на поверхности не появилось самое яркое и маленькое пятнышко света. Это точка фокуса, где собираются все лучи.

Наблюдение

 Зафиксировали лупу в этом положении (держать нужно её неподвижно) и наблюдали за деревом. Через несколько секунд мы заметили:

• Появление лёгкого дымка, искры и небольшого огонька.

• Потемнение дерева в точке фокуса (оно начнёт обугливаться).

• Запах жжёной древесины.

Фиксация результата

 Как только появился устойчивый дымок и огонек, мы убирали лупу и проверили нет ли огонька, для безопасности, и получили обугленный участок древесины.

Результаты и наблюдения

В ходе опыта мы убедились, что сконцентрированный солнечный свет способен нагреть дерево до температуры тления (около 300–400 °C). На поверхности осталось чёрное обугленное пятно — след от «солнечного ожога». Если бы мы продолжили держать лупу дольше, дерево могло бы загореться.

Вывод

Лупа работает как концентратор солнечной энергии. Она собирает лучи, падающие на всю площадь линзы, и направляет их в одну точку. В этой точке температура становится настолько высокой, что может поджечь дерево. Этот принцип используется в больших солнечных печах и на солнечных электростанциях с зеркалами, которые концентрируют свет на специальных башнях для получения сверхвысоких температур. Таким образом, даже простая лупа — настоящий «ловец солнечных лучей»!

Обязательное исполнение техники безопасности! (Приложение 1)

• Опыт обязательно проводить под присмотром взрослых.

• Не направляйте сфокусированный свет себе или другим в глаза — это может привести к ожогу сетчатки!

• Держите рядом воду или песок для тушения.

• Не оставляйте линзу без присмотра, чтобы не вызвать пожар.

• Проводите опыт на несгораемой поверхности (металл, камень, земля), подальше от сухой травы и бумаги.

2.2. Опыт №2: «Солнечный купол» (Нагрев воды под прозрачным укрытием) (рис.11)

Цель опыта

Выяснить, насколько эффективно прозрачный купол нагревает и сохраняет тепло воды в бассейне в осенний период, когда температура воздуха комфортная, а солнце ещё активно. Доказать, что даже в прохладные дни солнечная энергия способна поддерживать воду тёплой для купания.

Условия проведения

• Объект: Настоящий уличный бассейн, накрытый прозрачным куполом

• Время года: Осень, 25 сентября 2025 года

• Погода: Ясный солнечный день, температура воздуха +10°C…+18°C.

• Температура воды в начале эксперимента: +18°C…+20°C

• Время суток: полный световой день.

• Место: Открытый участок дачи, где бассейн освещается солнцем в течение всего дня.

Оборудование

1. Бассейн объёмом 20 тонн воды

2. Прозрачный купол — арочный из плотной плёнки

3. Водный термометр 

4. Уличный термометр для измерения температуры воздуха

5. Блокнот и ручка для ежедневных записей.

6. Часы или таймер

Ход работы

Обязательное исполнение техники безопасности! Приложени1

Подготовительный этап (за день до эксперимента):

1. Убедились, что бассейн чистый и вода в нём полностью перемешана, включили фильтр на час.

2. Сняли показания температуры воды утром и вечером в открытом бассейне (без купола) — это будет наша отправная точка для сравнения.

День 1: Первые замеры

1. Утром (в 9:00–10:00) измерили начальную температуру воды в бассейне. Записали в таблицу: t (утро) = +18 °C 

2. Измерили температуру воздуха= +12°C

3. Накрыли бассейн прозрачным куполом. Убедились, что края хорошо закреплены и купол не сдует ветром.

4. Оставьте бассейн под куполом на весь день.

Выполняли дневные наблюдения (каждые 2 часа) и записывали в таблицу:

• Время.

• Температура воздуха.

• Температура воды (на поверхности и на глубине).

• Погодные условия (солнечно, облачно, ветер).

• Визуальные наблюдения: есть ли конденсат на внутренней стороне купола, видно ли испарение.

Таблицы №1 наблюдений:

День2: Утренний замер

На следующее утро (до восхода солнца) снова измерили температуру воды и воздуха, оказалось вода не остыла за ночь под куполом.

Результаты и наблюдения, закономерности

• Даже при умеренно тёплом воздухе (+15°C…+18°C) вода под куполом днём нагревается до +24°C (рис.12) на поверхности, а в глубине — до +22°C.

• Разница между утренней и дневной температурой может достигать 5–6 градусов.

• Верхний слой воды (0–20 см) нагревается быстрее и сильнее, чем глубинный.

Как это работает?

Прозрачный купол создаёт над бассейном парниковый эффект [11]:

1. Солнечные лучи свободно проходят сквозь прозрачный материал и нагревают воду.

2. Нагретая вода начинает излучать тепловые волны (инфракрасное излучение), но купол задерживает их — они не уходят в атмосферу.

3. Купол не даёт ветру охлаждать поверхность воды.

4. Испарение резко снижается, а значит, вода не теряет тепло на испарение (самый большой источник потерь в открытых бассейнах).

В результате вода днём активно нагревается, а ночью медленно остывает. При тёплой осени (+10°C…+18°C) под куполом вода может неделями держаться на уровне +22°C…+24°C, что вполне комфортно для купания!

Вывод

Эксперимент доказывает, что даже осенью, когда воздух уже не летний, прозрачный купол позволяет:

• Эффективно использовать солнечную энергию для нагрева воды до комфортных +22°C…+24°C.

• Сохранять это тепло ночью, не давая воде быстро остывать.

• Защищать бассейн от грязи, листвы и испарения.

• Продлить купальный сезон на несколько недель, я купался.

Это отличный пример того, как простые технологии («ловцы солнечных лучей») работают в реальной жизни и экономят энергию [5, 11]. Даже когда на улице прохладно, солнце продолжает греть воду в бассейне. Эксперимент идеально подходит для наблюдения в реальных условиях и показывает, как солнечная энергия работает даже в прохладные, но солнечные осенние дни.

2.3. Опыт №3: «Солнечная кухня» (Яичница и гречневая каша)(рис 15,16)

После опыта с бассейном мы задались вопросом: - Может ли солнце нагреть воду до горячего состояния? Для выяснения этого вопроса мы с папой построили параболический отражатель и сделали солнечную печь [10]. (рис.14)

Принцип действия солнечной печи заключается в том, что солнечный свет за счет параболического отражателя концентрируется в одной точке (фокус). В эту точку помещают объект, и он нагревается.

После того, как солнечная печь была готова, мы решили провести два опыта:

Опыт№ 3.1: Взяли две примерно одинаковые ёмкости, налили в них по 1 литру воды одинаковой температуры (20°С). Первую ёмкость поместили в солнечную печь, а вторую просто поставили рядом. Температура окружающего воздуха составляла 23°С (конец сентября 2025 года, переменная облачность). Каждые 10 минут мы проводили замер температуры воды в обеих кастрюлях и записывали результаты [таблица 2].

Из этого опыта, я сделал вывод, что нагреть воду до высоких температур возможно используя солнечную печь. И несмотря на упрощенную конструкцию и подручные материалы, сконструированная солнечная печь вполне работоспособна (способна нагреть воду выше 80°С) и достаточно эффективна в наших погодных условиях.
Полученные мною результаты навели на мысль: а можно ли приготовить пищу исключительно с использованием солнечной энергии? Мы решили провести второй Опыт№3.2

Цель опыта

Доказать, что сконцентрированная солнечная энергия способна не только нагревать воду, но и использоваться для приготовления пищи. Проверить, можно ли сварить рассыпчатую гречневую кашу без огня и электричества — только с помощью солнца и самодельной печи-концентратора.

Условия проведения:

Дата: Ясный солнечный день, сентябрь 2025 года

Температура воздуха: +20C.

Время эксперимента: с 11:00 до 13:30 (самое активное солнце).

Место: Открытая площадка, максимально освещённая солнцем (без тени от деревьев и построек).

Конструкция солнечной печи

Мы построили параболическую солнечную печь-концентратор [5, 10]:

Основа: большой лист плотного картона (примерно 1,5 х 1,5 метра).

Отражатель: картон был полностью оклеен пищевой алюминиевой фольгой блестящей стороной наружу(рис.13). Фольгу старались наклеивать гладко, без складок, чтобы лучи отражались ровно.

Форма: картон был склеен в форме глубокой тарелки (параболы) и зафиксирован в таком положении. Именно параболическая форма собирает все лучи в одну точку — фокус.

Подставка: в фокусе печи установил банку из-под краски, на которую поставили кастрюльку.

Дополнительное утепление: чтобы тепло не уходило, кастрюлю накрыли прозрачной стеклянной крышкой (создаёт парниковый эффект)

Ингредиенты

Крупа 200 грамм гречневой ядрицы.

Вода400 мл (соотношение 1:2 для рассыпчатой каши).

Посуда: Небольшая металлическая кастрюлька (металл лучше проводит тепло) с прозрачной стеклянной крышкой

Ход работы

Обязательное соблюдений техники безопасности.

1. Промыли гречневую крупу холодной водой.

2. Залили гречку 400 мл воды комнатной температуры, добавили соль.

3. Установили кастрюльку в фокусе солнечной печи, плотно закрыли стеклянной крышкой. (рис.13,14)

4. Через 30 минут: вода стала горячей. Крупа начала набухать.

5. Через 50 минут: появились первые пузырьки — вода закипала.

6. Каша продолжала активно кипеть и "пыхтеть". Гречка впитывала воду и разбухала.

7. Мы продолжали следить за солнцем и каждые 15 минут чуть поворачивали печь, "наводя фокус".

8. Через час варки (к 13:00) вода почти полностью впиталась, каша стала густой.

9. Мы добавили маленький кусочек сливочного масла, перемешали (осторожно, кастрюля очень горячая).

10. Оставили кастрюлю в фокусе ещё на 15–20 минут под крышкой — каша "доходила" и распаривалась.

Результат: Гречневая каша полностью сварилась! (рис.15)

Мы открыли крышку и увидели рассыпчатую, ароматную гречку — точно такую же, как на плите. Каша была горячей, масло растаяло. Мы попробовали — вкусно! Никакого привкуса фольги или посторонних запахов. Настоящая каша, приготовленная солнцем.

Важные наблюдения:

• Вся вода впиталась, каша не подгорела (благодаря равномерному нагреву).

• Металлическая кастрюля и чёрный цвет очень важны — они максимально поглощают тепло.

• Прозрачная крышка создала эффект мини-печки: солнечные лучи проходили сквозь неё и дополнительно грели кашу сверху.

• Пришлось постоянно следить за солнцем и поворачивать печь — без этого фокус смещается и нагрев падает.

Почему это срабоало?

1. Параболическая форма: Фольга собрала солнечные лучи с большой площади и сконцентрировала их в точке фокуса, где стояла кастрюля. Температура в фокусе достигала примерно 150°C – 200°C.

2. Стеклянная крышка: Создала парниковый эффект — пропустила свет внутрь, но не выпустила тепло наружу.

3. Отражение от фольги: Мы использовали обычную кухонную фольгу — доступный и эффективный отражатель.

Вывод

Солнечная энергия — это реальная сила, которую можно использовать даже для приготовления еды. В яркий солнечный день самодельная печь из картона и фольги способна разогреть кастрюлю до температуры кипения воды и поддерживать кипение достаточно долго, чтобы сварить крупу.

Наш эксперимент доказал, что200 грамм гречневой каши можно сварить полностью на солнечной энергии за 2,5 часа. Это значит, что в походе, на даче или даже в регионах, где нет газа и электричества, солнце может стать настоящей кухонной плитой. При желании ее можно взять с собой в поход, чтоб поддерживать, например, воду в горячем состоянии.

Практические советы на основе наших наблюдений

• Для варки каши лучше выбирать самую солнечную часть дня (с 11 до 14 часов).

• Чем больше площадь отражателя, тем быстрее нагрев.

• Кастрюлю обязательно красить в чёрный матовый цвет (можно обклеить чёрной бумагой или использовать старую закопчённую посуду).

• Прозрачная крышка обязательна — без неё тепло будет улетучиваться.

• Будьте терпеливы: солнечная варка идёт медленнее газовой, но результат тот же!

• И главное — не забывайте поворачивать печь за солнцем!

Для большей наглядности мы приготовили в нашей печи яичницу (рис 16), на видео в презентации четко виден процесс.

Глава 3.Творческая часть: Конструируем «ловца»: зарядное устройство на солнечной батарее.

Мы часто бываем на природе, ездим на дачу или просто гуляем в парке. Иногда телефон разряжается в самый неподходящий момент, как случилось у нас с папой, на рыбалке, а розетки поблизости нет. Солнце светит всегда и везде — почему бы не использовать его энергию для зарядки?

Нам удалось собрать солнечную энергию в луч, согреть воду, сварить еду и на этом я решил не останавливаться. Мы с папой решили сделать зарядное устройство для гаджетов на солнечной энергии [13].Такое устройство пригодится в походах, на пикниках или просто как резервный источник энергии на случай отключения электричества. Готовый прибор стоит достаточно дорого, а сделать его самостоятельно можно во много раз дешевле и это гораздо интереснее.

Для создания солнечной зарядки существует два основных подхода:

1. Простой вариант — солнечная панель подключается напрямую к телефону (через стабилизатор).

2. Продвинутый вариант — с аккумулятором (Power Bank), который накапливает энергию от солнца, а потом отдаёт телефону.

Я выбрал первый вариант, так как он проще и безопаснее для третьеклассника. Вот что нам потребовалось:

Обязательное соблюдение техники безопасности! Таблица№3

Все работы с паяльником должны проводиться только под присмотром взрослых!

Сборка «солнечного ловца»

Я взял 2 солнечные панели и наклеил их на старый чехол от телефона. На панели есть два контакта: плюс и минус. Обычно плюс — это красный провод, минус — чёрный. Я взял старый USB-кабель, который подходит к моему телефону, и отрезал от него конец, который вставляется в зарядное устройство (не тот, который в телефон!). Внутри кабеля обычно 4 провода:

• Красный — плюс

• Чёрный — минус

• Белый и зелёный — для передачи данных, нам они не нужны

Чтобы телефон начал заряжаться, нужно замкнуть белый и зелёный провода между собой. Я аккуратно зачистил их и скрутил вместе.
Вот самая простая схема подключения [13]:

1. От солнечной панели идёт красный провод (плюс) и чёрный (минус).

2. Если я использую диод для защиты, я припаиваю его к плюсовому проводу (анодом к панели, катодом к преобразователю) (рис.17).

3. Подключаю провода ко входу преобразователя напряжения (на нём написано IN+ и IN-).

4. С выхода преобразователя (OUT+ и OUT-) подключаю провода к USB-кабелю: красный к красному (плюс), чёрный к чёрному (минус).

Схема выглядит так: Солнечная панель → (Диод) → Преобразователь → USB-кабель → Телефон

Я поместил преобразователь в корпус от клея и приклеил его по центру зарядного устройства между двумя солнечными батареями, а USB-разъём вывел наружу.

Испытания готового зарядного устройства провели два раза осенью, но при активном солнце 20 сентября 2025 года, телефон получил заряд (рис.19) и 26 февраля 2026 года(рис.20), несмотря на зимнее время и переменную облачность, солнечной энергии было достаточно для зарядки мобильного телефона, телефон так же получил заряд.

Выводы по испытаниям:

• Устройство работает, но только при попадании на него солнечных лучей.

• Для нормальной зарядки нужно постоянно следить, чтобы панель была направлена на солнце.

• Зарядка идёт медленнее, чем от розетки, но в походных условиях это настоящее спасение.

• Важно не перегревать телефон — на солнце он нагревается и сам, и от зарядки, поэтому лучше прикрывать его от прямых лучей.

Я посчитал, сколько денег мы потратили на создание зарядки (всё заказывали на маркетплейсах)итого: примерно 500 рублей.

Для сравнения: «Павербанк» с солнечной панелью в магазине стоит от 1500 рублей. Получается, самодельная обходится в 3-4 раза дешевле, а по качеству и возможностям почти не уступает.

Экологическая польза в том, что мы используем бесплатную и чистую энергию солнца [6]. Не тратим электричество из розетки (которое часто получают сжиганием угля или газа). Даём вторую жизнь старым кабелям и коробкам. Учимся бережно относиться к природе и ресурсам.

Создание солнечной зарядки своими руками — это не просто интересный опыт, но и полезное изобретение. Я доказал, что даже в домашних условиях можно собрать работающее устройство, которое поможет в трудную минуту. Конечно, оно не заменит мощный «Павербанк», но как резервный источник энергии или как проект для школы — отличный вариант. А главное, я теперь точно знаю, как работают «ловцы солнечных лучей» изнутри! 

Заключение

В ходе работы над проектом, я сделал для себя вывод, что изучение вопросов использования энергии солнца в домашних условиях — это актуальное и перспективное направление [6, 8].

Я выяснил, что использование солнечной энергии возможно с помощью специальных устройств и приспособлений, мне удалось создать несколько «Ловцов» солнечной энергии тем самым достигнув цели исследования.

Я использовал все методы исследования [1], благодаря которым я решил поставленные задачи: узнал, что такое солнечная энергия; как и где она используется в мире, в России, в Казани и в быту; научился работать с новыми материалами (фольга, канифоль), научился работать паяльником; создал солнечную печь и приготовил на ней кашу и яичницу; понял принцип работы парника и коллекторов; увидел солнечный луч в прямом действии, как он выжигает дерево; и самое главное у меня получилось создать реальное устройство, работающие на солнечной энергии, и я имею возможности наглядно продемонстрировать энергию солнца, что и подтверждает гипотезу моего исследования.

Я сделал прототип зарядки для телефона на солнечных батареях. Основное преимущество солнечных батарей – возможность использования в самых разных случаях: для частного дома, санатория, квартиры, мобильный построек и прочих [6, 8]. При этом эффективность на сегодня составляет около 40 процентов, однако, чтобы достичь максимального эффекта, необходимы соответствующие условия [9]. Но разработки ведутся постоянно, и уровень эффективности будет только расти.

Новые знания расширили мой кругозор, и я могу поделиться знаниями с одноклассниками.

Каждый из нас может внести свой посильный вклад в решение проблемы глобального изменения климата. Каждая использующаяся солнечная батарея и установка – это маленькая капля в море помощи нашей планете! 

Я очень люблю природу и свою дачу, ведь там у меня открывается интерес к новым знаниям. Когда я вырасту я построю на экологичный дом будущего на солнечных батареях, но это уже будет совсем другой проект.

Список используемой литературы

1. Савенков А.И. «Я- исследователь». Самара: Издательский Дом «Федоров», 2014

2. Шалаева Г.П. «Все обо всем». Популярная энциклопедия для детей. Том 10. Москва: Издательство «АСТ», 1995

3. «Что такое энергия?» Справочное издание Discovery education. Москва: Издательство «Махаон», 2015

4. Юный Эрудит №5/2015. Детский научно-популярный познавательный журнал.

5. Харченко Н.В., Индивидуальные солнечные установки, М.: Энергоатомиздат, 1991. - 208 с.

6. http://ekobatarei.ru - Всё о солнечных батареях и экологии.

7. http://viessmann-kazan.ru– Примеры использования солнечной энергии в Татарстане.

8. http://www.solarsistem.ru– Солнечные энергосистемы: теория и практика

9. https://ecosphere.press/2025/10/13/mir-vpervye-poluchil-bolshe-energii-iz-solncza-i-vetra-chem-iz-uglya/ – Мировые тренды солнечной энергетики 2025.

10. http://www.gigavat.com/ses_sun.php «Все об электростанциях»).

11. http://solarsoul.net/ispolzovanie-solnechnoj-energii-v-passivnom-dome («Использование солнечной энергии в пассивном доме»)

12. https://detskiy-site.ru – Детская энциклопедия «Почемучка» (раздел «Солнце и энергия»)

13. https://mysku.ru/blog/aliexpress/ – Обзоры и инструкции по сборке солнечных зарядных устройств.

Приложение 1

Правила техники безопасности!

Опыт №1: «Солнечный концентратор» (Лупа и дерево)

• Опыт обязательно проводить под присмотром взрослых.

• Не направляйте сфокусированный свет себе или другим в глаза — это может привести к ожогу сетчатки!

• Держите рядом воду или песок для тушения.

• Не оставляйте линзу без присмотра, чтобы не вызвать пожар.

• Проводите опыт на несгораемой поверхности (металл, камень, земля), подальше от сухой травы и бумаги.

Опыт №2: «Солнечный купол» (Нагрев воды под прозрачным укрытием)

• Не оставляйте маленьких детей без присмотра рядом с бассейном, даже под куполом, даже если они умеют плавать.

• Регулярно проверяйте крепления купола, чтобы его не сорвало ветром.

• Если купол сделан из плёнки, следите, чтобы под ним не скапливался конденсат настолько, чтобы плёнка провисала под тяжестью воды.

Опыт №3:«Солнечная кухня» (Яичница и гречневая каша)

• В фокусе печи очень высокая температура! Не прикасайтесь к кастрюле голыми руками — используйте прихватки или толстые перчатки.

• Не направляйте отражённый свет себе в глаза — это может повредить зрение.

• Не оставляйте печь без присмотра, особенно если рядом дети или животные.

• Имейте под рукой воду или песок на случай случайного возгорания (хотя с фольгой и картоном это маловероятно, если не направлять фокус на картон).

Техника безопасности при создании зарядного устройства

Обязательное соблюдение техники безопасности! Все работы с паяльником должны проводиться только под присмотром взрослых!

Приложение2

Рисунок 1 Солнечные панели в Китае

Рисунок 2 Самолет Solar Impulse 2

Рисунок 3 СЭС Батамай, Якутия

Рисунок 4 Солнечная подстанция поселок Киндери.

Рисунок 5 Сетевая солнечная электростанция 22 кВт SOFAR г. Адлер с. Высокое

Рисунок 6г. Казань на ул. Кайбицкая светофор на солнечных батареях

Рисунок 7 г. Казань на ул. Волгоградская, ЖК «Манхэттен»

Рисунок 8 Для снижения суточных колебаний температуры весной в парниках, применяют простое устройство из пластиковых бутылок с водой

Рисунок 9 Компактные системы для нагрева воды в дачном душе

Рисунок 10 Опыт №1: «Солнечный концентратор» (Лупа и дерево)

Рисунок 11 Опыт №2: «Солнечный купол» (Нагрев воды под прозрачным укрытием)

Рисунок 12 Температура воздухе (+15°C…+18°C) вода под куполом днём нагревается до +24°C

Рисунок 13 Параболический солнечный-концентратор оклеен пищевой алюминиевой фольгой блестящей стороной наружу.

Рисунок 14 Солнечная печь

Рисунок 15 Опыт №3: «Солнечная кухня» (Яичница и гречневая каша)

Гречневая каша готова

Рисунок 16 Опыт №3: «Солнечная кухня» (Яичница и гречневая каша)

Приготовили яичницу в солнечной печи.

Рисунок 17Творческая часть: Конструируем «ловца»: зарядное устройство на солнечной батарее. Припаиваю провода.

Рисунок 18 Готовое зарядное устройство на солнечной батарее

Рисунок 19 Испытания готового зарядного устройства провели два раза осенью, но при активном солнце 20 сентября 2025 года, телефон получил заряд

Рисунок 20 Испытания готового зарядного устройства провели зимой 26 февраля 2026 года, облачно. Телефон получил заряд