太陽能傘蒸餾器的製作

太陽能傘蒸餾器的製作

沈敬堯

花 蓮 縣 立 北 埔 國 民 小 學

壹、前言

國 中 理 化 課 程 談 到 物 質 的 變 化 進 行 蒸 餾 實 驗 ， 利 用 物 質 沸 點 不 同 的 特 性 ， 經 由 蒸 發 和 冷 凝 的 過 程 來 分 離 物 質 ， 以 達 到 純 化 該 物 質 的 結 果 。 傳 統 的 蒸 餾 實 驗 以 本 生 燈 （ 或 酒 精 燈 ） 做 為 熱 源 ， 李 必 氏 冷 凝 管 裝 置 利 用 水 冷 式 來 加 速 凝 結 欲 分 離 或 純 化 的 氣 體 流 入 收 集 瓶 ， 在 此 過 程 中 必 須 消 耗 大 量 的 冷 卻 水 及 提 供 熱 量 的 燃 料 ， 並 不 符 合 環 保 節 能 的 取 向 ， 如 何 改 良 蒸 餾 工 具 以 達 到 節 能 無 污 染 的 目 標 是 一 項 有 趣 的 實 驗 。 筆 者 在 社 團 裡 指 導 學 生 蒸 餾 市 售 米 酒 ， 思 考 到 太 陽 能 是 最 環 保 的 能 源 ， 應 用 太 陽 能 製 作 蒸 餾 設 備 可 解 決 熱 源 問 題 ， 使 用 循 環 水 則 不 必 浪 費 水 資 源 ， 因 此 筆 者 自 行 設 計 這 項 太 陽 能 傘 蒸 餾 器 ， 並 帶 領 學 生 實 際 進 行 操 作 ， 除 了 具 備 環 保 優 點 外 ， 使 用 器 材 取 得 容 易 ， 收 納 簡 單 ， 學 生 容 易 操 作 ， 將 之 應 用 在 教 學 上 更 提 高 學 生 的 學 習 動 機 ， 培 養 解 決 問 題 的 能 力 。

貳、使用器材與工具

器 材 單 位 數 量 鋁 製 飲 料 瓶 1 罐 大 雨 傘 （ 傘 面 直 徑 120 公 分 ， 深 30 公 分 ） 1 支 雷 射 筆 1 支 太 陽 能 板 1 塊 直 流 馬 達 2 個 電 動 螺 絲 起 子 （ 做 為 鑽 孔 機 ） 1 支 鏡 面 包 裝 紙 1 捲 完 稿 膠 1 瓶 黑 色 噴 漆 1 罐 燭 光 計 1 支 李 必 氏 冷 凝 器 1 個 溫 度 計 1 支 耐 熱 矽 膠 管 75 ㎝ 量 筒 1 個 水 桶 1 個 鋸 子 1 支

參、製作過程

一、太陽能傘

參 閱 工 研 院 網 站 及 太 陽 能 烹 調 網 頁 ， 我 們 知 道 使 用 拋 物 面 的 物 體 最 能 匯 聚 熱 能 產 生 高 溫 ， 可 是 哪 裡 有 大 的 拋 物 面 可 供 使 用 呢 ？ 有 拋 物 面 的 東 西 ， 鍋 子 太 小 ， 衛 星 天 線 太 大 不 易 攜 帶 ， 最 後 想 到 把 雨 傘 倒 過 來 使 用 是 個 可 以 嘗 試 的 選 擇 ， 製 作 過

步 驟 一 、 把 雨 傘 中 間 握 把 鋸 斷 ， 把 原 來 卡 榫 拆 掉 ， 鑽 個 洞 ， 插 入 螺 絲 起 子 固 定 ， 裁 剪 光 面 包 裝 紙 ， 貼 到 傘 面 內 側 ， 作 為 反 射 面 （ 烹 調 用 鋁 箔 易 縐 不 能 用 ） 步 驟 二、製 作 1 個 支 撐 架，一 端 撐住 鋁 瓶， 一 端 套 到 傘 骨 中 心 。 步 驟 三、【 尋 找 反 射 的 焦 點1】我 們於 暗 室 中 垂 直 用 雷 射 筆 照 射 傘 面 各 個 位 置 ， 觀 察 反 射 位 置 都 在 中 心 離 傘 面 25-35 公 分 處 。 紅色 表 示 雷 射 筆 照 射 方 向 ； 藍 色 表 示 反 射 的 方 向 。 步 驟 四 、【 尋 找 反 射 的 焦 點2】 拿 到室 外 ， 對 準 太 陽 ， 我 們 拿 燭 光 計 去 尋 找 最 亮 的 點 （ 儀 器 顯 示 最 大 的 數 值 ） 也 都 在 中 心 離 傘 面 25-35 公 分 處 ， 因 此 我 們 假 定 焦 點 就 在 這 裡 。

步 驟 五 、 用 輪 架 製 作1 個 可 以 隨 太陽 移 動 改 變 的 架 子 。 拆 掉 輪 子 ， 裝 上 支 架 ， 就 變 成 可 調 整 角 度 的 腳 架 。 步 驟 六、將 鋁 瓶 用 噴 漆 噴 黑(黑 色 吸收 光 的 能 力 佳 且 不 易 反 射)，加上 透 明 外 殼 ， 防 風 阻 止 熱 散 失 ， 但 是 不 影 響 吸 熱 。 步 驟 七 、 用 鐵 絲(如 圖 紅 藍 線 )把 腳 架 及 傘 三 點 固 定 ， 如 果 要 調 整 傘 面 角 度 只 要 調 整 紅 線 的 長 短 就 可 以 對 準 太 陽 ， 即 完 成 太 陽 能 傘 。

二、太陽角度變化

太 陽 是 會 移 動 的 ， 所 以 想 要 得 到 最 大 熱 能 ， 就 必 須 跟 著 太 陽 的 直 射 角 移 動 ， 如 圖 八 。

三、蒸餾裝置

如 圖 九 所 示 ， 首 先 固 定 住 太 陽 能 傘 ， 傘 中 央 黑 色 鋁 瓶 裡 裝 入 準 備 要 蒸 餾 的 液 體 ， 蓋 上 塑 膠 套 防 風 阻 止 熱 散 失 ， 接 上 耐 熱 的 矽 膠 管 讓 蒸 氣 可 以 由 此 處 流 入 李 必 氏 冷 凝 管 ， 而 冷 卻 水 則 使 用 循 環 水 ， 循 環 的 動 力 同 樣 來 自 太 陽 能 ， 太 陽 能 板 提 供 電 力 給 沉 水 馬 達 ， 抽 水 提 供 循 環 冷 卻 ， 最 後 蒸 餾 所 得 的 溶 液 搜 集 在 燒 杯 內 。 圖 八 、 太 陽 是 會 移 動 的 ， 所 以 想 要 得 到 最 大 熱 能 ， 就 必 須 跟 著 太 陽 的 直 射 角 移 動 圖 九

肆、實際應用

一、溫度測試

我 們 把 溫 度 計 放 入 瓶 口 （ 如 圖 十 ）， 把 傘 面 對 準 太 陽 ，9 分 鐘 內 就 上 升 到 98 ℃ ， 最 後 中 午 12 點 45 分 更超 過 102℃。 我 們 認 為 是 可 以 拿 來 做 蒸 餾 設 備 的 熱 源 。 我 們 接 著 把 噴 黑 漆 的 鋁 瓶 裝 入 自 來 水，放 到 架 子 上，對 準 太 陽。20 分 後 水溫 由 原 來25 度 上 升 到 98 度 ， 開始 冒 煙 （ 蒸 氣 ）。 而 當 時 實 驗 地 點 的 溫 度 是35℃ 。 圖 十

二、蒸餾實驗

找 一 個 陽 光 普 照 的 日 子 ， 把 太 陽 能 傘 搬 出 室 外 進 行 蒸 餾（ 如 圖 十 一 ），我 們 在 黑 色 鋁 瓶 內 裝 入 市 售 米 酒，20 分 鐘 後 開 始沸 騰，順 利 蒸 餾 得 到 溶 液，50 分鐘 後 收 集到 50 毫 升 的酒 精 溶液，我 們 使用 市 售 比 重式 酒 精 度 計 測 量（ 如 圖 十 二 ），測 得 酒 精 溶 液 濃 度 為40%，實 驗 完成，證 明 以太 陽 能進 行 蒸 餾 是 可 行 的 。 蒸 餾 完 畢 後 ， 我 們 切 開 瓶 子 發 現 底 部 有 鹽 分 沉 積 ， 使 我 們 進 一 步 思 考 ， 這 些 鹽 分 是 否 有 再 利 用 的 價 值 ， 以 及 利 用 太 陽 能 傘 的 原 理 製 作 海 水 淡 化 工 具 的 問 題 ， 這 也 是 我 們 接 下 來 想 要 嘗 試 的 實 驗 方 向 。 圖 十 一 圖 十 二

伍、結論

本 文 所 進 行 之 太 陽 能 傘 蒸 餾 活 動 係 於2007 年 5 月 18 日 進 行 ， 利用 自 製 太 陽 能 傘 蒸 餾 器 ， 能 有 效 節 省 蒸 餾 時 所 耗 費 的 燃 料 及 冷 卻 水 問 題 ， 此 概 念 及 方 式 若 能 精 研 發 展 ， 也 能 夠 節 約 工 業 上 的 能 源 消 耗 ， 擴 大 太 陽 能 的 使 用 範 圍 。 太 陽 能 是 自 然 界 用 之 不 竭 的 乾 淨 能 源 ， 目 前 已 經 有 許 多 國 中 小 學 舉 行 太 陽 爐 製 作 等 比 賽 活 動 ， 指 導 學 生 動 動 腦 ， 改 良 出 功 效 更 好 的 太 陽 爐 ， 使 學 生 更 加 瞭 解 太 陽 能 資 源 的 應 用 方 向 ， 筆 者 相 信 在 全 人 類 努 力 下 ， 必 能 夠 充 分 使 用 這 種 對 環 境 較 無 傷 害 的 能 源 ， 給 予 下 一 代 一 個 更 優 質 的 生 活 環 境 。

陸、參考資料

鄧 美 貴 主 編（2005）。國 民 中 學 自 然 與 生 活 科 技 第 三 冊 。 北 縣 ： 康 軒 文 教 。 郭 重 吉 主 編（2005）。國 民 中 學 自 然 與 生 活 科 技 第 三 冊 。 北 縣 ： 南 一 。 陳 琦 郁 譯（2008）。寫 給 地 球 人 的 能 源 史 。 北 市 ： 左 岸 文 化 。 華 健、吳 怡 萱 編 著（2008）。再 生 能 源 概 論。 北 市 ： 五 南 。 工 研 院 能 源 與 資 源 研 究 所 http://www.erl.itri.org.tw 太 陽 烹 調 檔 案 ：http://babelfish.altavista. com/babelfish/trurl_pagecontent?lp =en_zt&url=http%3A%2F%2Fsolarc ooking.org