不怕没水喝---简易太阳能蒸馏锅

不怕没水喝---简易太阳能蒸馏锅 摘 要 水是人類不可或缺的飲料，到缺水或水源可能受到汙染的區域工作，取得淡水便會成為 一項非常重要的工作，利用太陽能來進行蒸餾工作是可行的設計，但是太陽光的照射會隨著 地球自轉而產生偏移和改變，所以搭配可以調整反射角度的太陽爐是必備的。本研究利用一 些簡單而且易取得的材料，製作簡易的蒸餾工具，具備以下特點： 一、只要是不受有機物汙染的水溶液，例如：海水、尿液均可用來製作淡水。 二、太陽爐要能夠隨太陽位置來調整角度，可以更有效集中太陽能。如果沒有太陽爐，亮 面鍋蓋也是很好的聚光裝置。 三、太陽的照度愈強，水分的蒸發量愈高，但是蒸餾鍋所得到的蒸餾水並未隨著蒸發量的 增加而增加，必須經過冷凝作用才有蒸餾水可以收集。而照度高時，相對的環境溫度 也高，反而不容易液化，此時可將蒸餾鍋移到陰涼處加速水蒸氣的冷凝。 1 關鍵詞：蒸餾鍋、太陽爐、蒸餾 壹、研究動機 2 每次和家人到海邊或是到高山上去旅遊或工作，有時忘了帶開水，附近又沒有商家 可以購買礦泉水，真不知該如何是好？自然與生活科技課本中曾經教過蒸餾法可以收集 到蒸餾水，如果能夠利用簡單工具組合成「太陽能蒸餾鍋」，工作時利用太陽能將附近取 得的水加以蒸餾就不用擔心水質是否乾淨的問題。 貳、研究目的 一、蒸餾鍋的組裝 二、鍋底温度與水的蒸發量對應曲線 三、日照強度與蒸餾鍋內水溶液的温度變化 四、自製太陽爐增温的效果 五、自製太陽能蒸餾鍋收集蒸餾水的效能 叁、研究器材 不銹鋼鍋 礦泉水桶 美工刀 鐵腳架 照度計 熱溶膠 鋁箔紙 冰棒棍 溫度計 鹽 恆温水槽 鏡子 肆、研究步驟 一、蒸餾鍋的組裝 （一）取一個直徑約28公分的不銹鋼鍋充用鍋身並將鍋蓋中間去除留下鍋蓋邊緣取一個 3 10公升透明的礦泉水桶。 (二)將桶子平口至桶身7公分切除留下平口段，將平口段與鍋蓋邊緣結合起來，再利用 熱溶膠將它結合起來，就完成了蒸餾鍋的製作。 二、太陽爐的製作 (一)先用10公升的塑膠礦泉水桶,把它切出長30公分、寬5.5公分的塑膠片(共有六 片)，貼上大小一樣的鋁薄紙。 (二)將10公升塑膠水桶底部也貼上大小一樣的鋁箔紙，再以冰棒棍做出可彎支架，使 反光片可調整角度以便收集陽光。 (三)將做好的反光器，放於長70公分、寬5公分的鐵腳架下，將反光片調成適合收集 陽光的角度，再用照度器量出當時的照度，以時為單位的計時方式，測量出實驗的 結果。 三、鍋底温度與水的蒸發量測定 （一）將恆温水槽温度設定為50?。 （二）利用熱水添加冷水調配成50?的温水2000ml，並將温水倒入蒸餾鍋中，然後再 置 於恆温水槽內，維持鍋底温度在50?。 （三）每半小時觀察並記錄所收集到的蒸餾水量，持續2小時。 （四）改變恆温水槽設定的温度為40?、30?及室温水，蒸餾鍋依次倒入40?温水、 30?温水及室温的水。 （五）其餘步驟如步驟（一）～（三）。 4 四、日照強度與蒸餾鍋內水温變化 （一）將蒸餾鍋裝500ml的海水，置於蒸餾架上，並且置入一隻酒精温度計，温度計的 底部不宜碰觸鍋底。 （二）將照度計置於蒸餾架旁，每隔30分鐘記錄當時陽光的照度及蒸餾鍋內水温，持續 2小時。 （三）依次改變蒸餾鍋內海水的量為1000ml、1500ml及2000ml。 （四）其餘如步驟（一）、（二）。 五、組合太陽爐的增温效果 （一）取500ml海水置入蒸餾鍋內，並放置於蒸餾架上。 （二）利用四面15 cm× 15 cm的鏡子，擺放在蒸餾架東、西、南、北四個位置，調整 鏡面角將太陽光反射到蒸餾鍋的鍋底。 （三）每隔30分鐘測量並記錄鍋內水温的温度。 （四）依次將鏡子改用亮面的金屬鍋蓋重覆步驟（一）～（三）。(如照片1)。 照片1-1：鍋蓋的照度測量 照片1-2：鍋蓋不同角度的照度測量 5 照片2-1：自製太陽爐不同角度的照度測量 照片2-2：自製太陽爐的照度測量 六、自組太陽爐製作蒸餾水的效能 （一）將自行組合的可收放及調整角度的太陽爐展開(如照片2)。 （二）將500ml海水倒入蒸餾鍋中，並置於蒸餾架上。 （三）調整太陽爐扇面角度將陽光反射至鍋底（鍋底產生4片亮面）。 （四）每隔30分鐘記錄收集到的蒸餾水及鍋內水温，並調整扇面角度。 6 照片3：利用鍋蓋反射日光加熱 照片4：利用自製太陽爐反射日光加熱 伍、研究結果 一、自行組合的蒸餾鍋利用鍋蓋一邊較高另一邊較低，冷卻的蒸餾水便會沿著鍋緣的通道 導入收集杯中。 二、由圖1中可以發現相同水量時水温愈高，所收集的蒸餾水量也會愈多。但是超過70? 時所使用的鍋蓋礦泉水桶的聚乙烯會熔化變形。 三、利用太陽能來加熱蒸餾鍋，全天中以下午一點至二點照度最大，蒸餾鍋中的水温也最 高。過了下午三點水温會下降，但是早上每小時所測得日出的温度比下午每小時日落 的温度低(如圖2)。 7 四、利用自製的各式太陽爐加熱均可讓蒸餾鍋內的水温高於日照温度，水温上升的效果以 自製的鋁箔太陽爐＞亮面鍋蓋＞平面鏡(如圖2)。 14 12 10 8 6 4單位面積蒸發量 2 0 20304050607080 水溫 圖1：自來水的溫度與半小時單位面積蒸發量 照度(×10) 溫度 自製太陽爐85 80反光鏡反射 75鍋蓋70 65 60 溫度55 50 45 40 35 30 25 10:00 10:30時間 11:00 11:30圖2：當日照度與各項聚光設備所增加的水溫 12:00 12:30 13:00 13:30 8 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 五、自製的鋁箔太陽爐可以調整反射面的角度，愈接近正午反射面傾斜的角度要愈大，鍋 內的水温也愈高。 六、利用自製太陽爐和蒸餾鍋蒸餾海水，由收集瓶所收集的蒸餾水量是以下午四點～五點 收集量最多，而不是水温最高時的下午一點半～二點。而且早上七點到十二點收集量 也低於十二點至下午五點所收集的量(如圖3)。 9 8 7 6 5 4水量(ml)3 2 1 0 10:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00 時間 圖3：利用自組太陽爐加熱蒸餾鍋所收集的蒸餾水量 陸、討論 一、蒸餾法是要將水溶液中沸點差距大的物質加以分離，所以海水及河水都是以水溶解無 機鹽，都可以用蒸餾法將純水分離，人的尿液也是可以分離。但是受到有機物污染的 溶液就不宜拿來蒸餾，避免低沸點的有機物一起被蒸餾出來。 二、由於本實驗所使用的水溶液均未達到沸騰的程度，所以只能由水溶液面的水分子獲 得能量而先行氣化，温度愈高水分子所得的動能也會較多，表面的水分子較容易脫離 9 而形成水蒸氣。 三、根劇熱量H＝M×S×T，當日照強度與日照時間相同時，蒸餾鍋從外界吸取的能量 是固定的，而且水的比熱為1卡/克?。所以鍋內的水量較多時，水温的上升也會比較 慢 ，每個水分子所獲得的能量也就比較少，氣化量相對就比較少。而且日照強度與接觸 的單位面積有關係，蒸餾鍋所得到的能量＝日照強度×鍋子接觸光照的面積×日照時間 ?4.2，所以設計的蒸餾鍋受熱面積要大。 四、太陽光的照射會隨著地球自轉而產生偏移和改變，自行組合的太陽爐就是要將太陽光 集中反射到蒸餾鍋的加熱面。平面鏡只能反射太陽光線的強度，加上太陽光為平行光， 不容易控制光線反射到鍋底。而光亮的金屬鍋蓋內側是拋物面，具備了聚集平行光反 射至焦點上的功能，所以利用亮面鍋蓋做為太陽爐的效果會較面鏡好。但是鍋蓋不容 易隨著日照來調整角度。 五、利用鋁箔亮面搭配所裁剪剩餘的10公升礦泉水桶下半桶製作而成的太陽爐，不管由那 一方向照射過來的陽光只要調整相對的扇面角度就可以將日光投射到蒸餾鍋上。金屬 鍋子的外圍通常因為電鍍金屬會比較光亮，反射和直射的日光會受到蒸餾鍋的鍋面再 反射，無法將傳遞來的能量有效吸收，所以我們便決定將蒸餾鍋的外圍塗成黑色，以 利減少再反射的能量散失。 六、因為蒸餾架是架設在地面上，中午之前地面會吸收太陽的輻射熱，當太陽光強度減弱 時，地面就會開始散發長波幅射，使得下午水溫變化曲線較緩和。 七、當正午過後水溫達到最高，水分子氣化情形更明顯，但是外界溫度相對的也較高，內 10 外温度差異小，冷凝效果也較傍晚時間差。因此，當水溫持續達到高溫時，可將蒸餾 鍋移至稍陰涼的地方，讓水蒸氣凝結量更多，也可取到較多量的蒸餾水。 柒、結論 自然界中可直接利用的淡水含量並不多，必須透過特別處理才能取得可飲用的水， 加熱蒸發就是一個分離淡水的方法。太陽能為最不具污染的能量，以太陽爐做為加熱工 具更是可行。本研究利用一些簡單而且易取得的材料，製作簡易的蒸餾工具，在研究過 程中我們發現以下特點： 一、只要是不受有機物汙染的水溶液，例如：海水、尿液均可用來製作淡水。 二、太陽爐要能夠隨太陽位置來調整角度，可以更有效集中太陽能。如果沒有太陽爐，亮 面鍋蓋也是很好的聚光裝置。 三、太陽的照度愈強，水分的蒸發量愈高，但是蒸餾鍋所得到的蒸餾水並未隨著蒸發量增 加而增加，必須經過冷凝作用才有蒸餾水可以收集。而照度高時，相對的環境溫度也 高，反而不容易液化，此時可將蒸餾鍋移到陰涼處加速水蒸氣的冷凝。 四、早上地表會吸收太陽能，下午時間開始以長波幅射釋放，在蒸餾鍋加熱過程，發現下 午的水溫變化較上午來的緩和。 捌、參考文獻 能源科技研發中心，2008.10.30，~wwwerc/4.htm。 台灣綠色生產基金會-節約能源中心，2008.10.30， 11 。 郭重吉 總編，自然與生活科技第3冊，2008，南一出版社：台南。 12