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설명：와카이카즈노리(若井和憲),도움：주소건(秦小健) (박사과정중국유학생) |
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정정！！
이 페이지의 공개 당시부터 7월28일 10:00까지 이하의 작은 쪽의 거울의 자료를 내려받은 학생분들에게는 죄송하지만 12장의 것이 아니라 18장용의 설계였습니다. 그것은 그 방식대로 만들어 주시기를 부탁드립니다. 현재는 12장의 설명으로 되어있습니다. 18장의 방식에 문제는 없으므로 잘 부탁드립니다.처음
우선 어떤 것이 만들어 질까 아래 두 개의 사진을 봐주세요. 이것은 15년 전에 제 차남이 초등학교 4학년 때의 여름방학에 공작작품으로 만든 것입니다. 직경50cm정도의 집열기(일종의 거울이기때문에 앞으로 이것을 거울이라고 부르겠습니다)로, 삶은 달걀은 금새 만들어 졌습니다. 이 거울의 직경과 모인 태양열에너지의 양에 대하여 조금이라도 공부한 학생은 여기를 클릭 해 설명을 읽어 주십시오. 이것에 대하여 아는 학생이나 나중에 공부하는 학생들은 다음으로 넘어가세요. 여러분의 공작기술의 능력에 따라 어느쪽을 만들 것인지 결정하세요.주의： 특히 큰 태양광집열기는 성능이 뛰어나 사용자가 실수라도하면 아주 위험합니다. 만드는 방법은 간단하지만 대단한 위력을 가지고 있습니다. 절대로 빛이 모이는 점에는 불이 붙는 것은 놓지 않도록 해 주세요. 또, 그 위치에 절대로 얼굴이나 손을 가까이 하지 않도록 해 주세요.화상을 입습니다.더욱이 눈을 가까이하면 실명할 수 있습니다. 절대로 눈을 가까이 하지 않도록해 주세요. 실험할 때에는 꼭 아버지나 어머니, 선생님 또는 어른과 함께 해주세요.
목차
- 재료와 비용
- 우선 대강의 공작순서를 보도록 합시다.
- 어떻게 해서 제작도를 구할 수 있을까?
- 처음에는 A의 거울부분의 만드는 방법을 설명하겠습니다.
- 거울의 凹면이 되는 부품을 만들어 봅시다.
- 받침을 만들어 봅시다.
- 베니야로 기본이 되는 원판을 만들어,부품을 붙이는 위치에 선을 그어 주십시요.
- 그 대의 위의 빛이 모이는 점에 핀을 꼽아 표시합니다.
- 드디어 마지막으로,거울의 부분을 붙여갑니다.
- 간이적도기를 만듭니다.
- 태양에너지에 대하여
- 집열기의 조건설정방법의 힌트
- 성능의 평가를 하자
- 도달할 수 있는 온도에 대하여 공부
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망원경에 잘 아는 사람은 적도선의 아주 간단한 것이라도 생각해 주세요. 여름과 겨울에는 각도의 변화없이는 안 되지만, 그런 만능식을 만드는 것은 조금 어렵습니다. 나머지 분들은 여름만의 고정식과 만능식의 양방식을 설명하겠습니다.
그럼, 재료와 사용하고 남은 판을 두께1cm, 너비15cm, 길이 30cm정도의 것과 두께1cm, 너비7~10cm정도, 길이 15cm정도의 것(아마도1000~3000원정도에 살 수 있다), 수도의 염화비닐관 직경 20mm정도의 것을 길이 50cm정도, 그 관과 같은 규격의
이음관(L자형부품)과
T자이음관 한 개씩(합 2000원정도라고 생각합니다)이 있으면 됩니다. 각각의 부품은 제작방법 설명시 사용용도를 알 수 있습니다.제 차남의 경우, 처음부터 B거울을 만든 것이 아닙니다. 우선, 조금 작은 A를 연습으로 만들었습니다. 거울의 모양은 도화지로 만듭니다. 사진은 두꺼운 도화지를 사용해 받침대가 되는 원판을 만들어, 그 위에 도화지로 만든 거울의 부품의 보조대를 세워서, 그 위에 거울부품을 갖다붙여서 만든 도화지거울모형을 올려 놓은 것입니다. 그 거울모형위에 알루미늄호일을 붙인 것이지만, 나중의 설명은 반대로 처음에 도화지에 알루미늄호일을 붙여두고, 그것을 설계도에 맞춰서 거울부품을 잘라내 거울모형으로 하는 방법을 소개합니다. 완성된 모형도 좋고, 제작방법도 간단하다고 생각합니다.
그 시험제작이 잘 되었기에 드디어 얇은 스테인레스판을 이용한 B를 만들었습니다. 우선 원형으로 자른 베니야대 위에 거울을 안정시키는 지지용의 골판지를 붙여(아래의 첫번째 사진), 지지용 골판지의 위에 거울이 되도록 자른 얇은 스테인레스 판부품을 한장한장 붙여갑니다(두번째 사진). 그 사진들에 있는 중심의 은색철사는 계산으로 산출한 초점(초점=빛이 한 점으로 모이는 곳)으로서, 나중에 삶은 달걀실험을 할 때, 달걀을 얹을 수 있도록 미리 붙여 있습니다.
이렇게 해서 집열기(거울)은 완성했습니다.그 위에 스테인레스B방법은 간이적도기를 만들어 붙였습니다.오른쪽의 사진은 A와B를 비교한 사진입니다.
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이 거울이 되는 부품도를 우선 봐 주세요.아래에 있습니다.
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왼쪽이 거울부품 예입니다. 거의 삼각형처럼 보이지만, 실제로는 상당히 어려운 모양을 하고 있습니다.긴 두 변은 직선이 아닙니다. 컴퓨터로 계산해서 그은 선입니다.오른쪽의 그림은 삼각형의 거울이 되는 부품을 하나하나 지지하는 대가 됩니다. 이것도 컴퍼스와 자만으로는 그릴 수 없습니다. 즉, 초등학생이나 중학생이 그릴 수 없는 모양을 하고 있습니다.
고등학생이나 대학생으로 수학에 뛰어난 형, 누나라면 이 제작도를 계산할 수 있습니다. 게다가 그것을 그리지 아니하면 안 되기에 힘든 일입니다.컴퓨터가 특기인 형, 누나라면 제작도를 그리는 것도 가능할지 모르겠네요.
이런 것들이 가능한 사람이 가까이에 없어도 걱정하지 않아도 되요. 정해진 제작도라도 괜찮다면, 아래에 있는 표안의 파랑이나 빨강 버튼을 클릭하면 인쇄하는 기본이 되는 자료를 여러분의 컴퓨터에 받을 수 있습니다.
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거울의 모양 (공작 레벨) |
프린터의 해상도 (dpi) | 거울의 조건 | 삼각형부품의 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 300 | 360 | 600 | 720 | 직경 | 초점거리 | 부품의 장수 |
밑변의 길이 |
높이 | |
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A (미숙한 사람을 위해) |
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35cm | 13cm | 12 | 93.8mm | 187.4mm |
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B (자신있는 사람을 위해) |
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50cm | 18cm | 18 | 88.2mm | 265.4mm |
이하는 그 파일의 내려받기방법과 그리고 인쇄방법을 설명하고 있습니다만, 그런것들이 귀찮은 사람들은 우송하는 방법이 있습니다. 그 설명까지는「여기를 클릭해서」보내 주세요.
내려받기를 하려는 사람은 우선 만들고 싶은 방법의 버튼에 마우스화살표를 올려 놓고, 마우스의 왼쪽 버튼을 클릭해 주세요. 여기에는 여러분에게 자세한 프린터지식이 필요합니다. 표에 있는 해상도라고 하는 부분입니다. 이것은 1인치(25.4mm)의 사이에 얼마만큼 많은 점을 찍어 글자와 선을 그리고 있는지를 나타내는 자료입니다. 이 숫자를 모르는 경우에는 프린터의 설명서의 ‘사용방법’이라는 곳에 적혀있을 것입니다. 그 숫자와 같은 숫자란을 선택해 주세요.만약, 여러분의 프린터에 숫자가 위 표에 없는 경우에는 문의해 주세요. 준비하겠습니다.
여러분이 넷스케이프에서 이 페이지를 보고 있다면, 당장 그 파일을 어딘가에 저장(보존=save)할지 물어볼 것이라고 생각합니다(왼쪽하단 그림). 적절한 디렉토리에 저장해 주세요. 인터넷익스플로어라면 ‘파일열기’나, ‘저장하기’ 의 버튼이 나타납니다. 어느 쪽이든 선택해 주세요.
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| 넷스케이프의 예 | 인터넷익스플로어의 예 |
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넷스케이프에서는 바로 인쇄할 수 없습니다. 인터넷익스플로어는 저장할 디렉토리를 지정해서 보존하는 경우와 같습니다만, 저장한 디렉토리에 파란 버튼을 누른 경우는 ‘xxxA.EXE’(xxx의 부분의 숫자가 프린터의 해상도와 맞도록 이름이 붙여져 있습니다)라고 하는 파일이 빨간 버튼을 누른 경우에는 ‘xxxB. EXE’라고 하는 파일이 보일 것입니다. 그것을 마우스의 왼쪽버튼으로 더블클릭하면 인터넷익스플로어에서 ‘파일열기’버튼을 누른 경우와 같습니다만 어중간한 그림(오른쪽상단 그림의 일부)이 나타납니다. 전체가 어떤 것인지 보고 싶은 사람은 ’여기’를 클릭해 주세요. 그 그림이 있는 창의 최상단타스쿠바의 왼쪽에 ‘무제-test’ 가 있고, 그 아래에 「file edit view help 」라는 표시가 있지요. 좌측하단 그림이 그 부분입니다.
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| 도면의 타스쿠바표시 | 「file」의 이동복사메뉴 |
그 파일을 클릭하면 오른쪽 그림과 같이 이동복사메뉴가 나타납니다. 그 중에 print 를 클릭하면 인쇄가 시작됩니다. 그 전에 print view 라는 메뉴를 클릭하면 컴퓨터상의 인쇄용지에 어떤식으로 인쇄되는지를 확인할 수 있습니다. 지금까지 보였던 것은 일부분이었지만, 이것을 보면 전체가 보이지요. 이것을 확인 후 좌측상단에 「인쇄 」버튼을 클릭해도 좋고 「닫기」버튼으로 이 표시를 닫아 다시한번「file」을 클릭해서 이동복사메뉴의 「print」를 선택해 인쇄해도 좋습니다. 이렇게 해서 인쇄가 되면 꼭 치수를 확인해 주세요. 즉, 조금전에 내려받기할 때 프린터의 해상도설명을 했습니다만,선택한 버튼과 여러분의 프린터의 해상도가 맞지 않는 경우 정확한 크기로 인쇄되지 않기때문입니다. 삼각형부품의 밑변과 높이가 위의 표에 나타나 있으므로 그 길이로 되어 있다면 다음으로 진행하세요. 만약 길거나 짧은 경우에는 컴퓨터를 잘 다룰 줄 아는 아빠나 형, 선생님이 가까이에 계신 경우에는 다시한번 시도해 주세요. 그게 어렵거나 귀찮은 경우에는 근처의 복사기가 있는 문구점등에서 확대축소 복사로 정확한 수치로 고쳐주세요.
여러분 중에는 주어진 크기의 거울이 싫고 자기자신만의 거울을 만들고 싶은 사람이 있지요. 이하는 그런 사람을 위한 설명입니다. A나B로 괜찮은 사람은그 다음의 설명까지 넘어가도 좋습니다.
잠깐, 수준높은 것이 가능한 사람은 스스로 좋아하는 모양도 만들 수 있습니다. 집열력이 센 더욱 큰 거울을 만들고 싶다라는 경우입니다. 그 모형을 정하는데 필요한 조건은 1.직경、2.초점거리,3.거울부품의 장수 입니다. 하지만, 예를 들어, 부품장수 한장으로 만들고 싶다고 하더라도 그것은 무리입니다. 우선 만들고 싶은 것이 가능한지 어떤지 email 로 기후대학若井(와카이)연구실 에 연락해 주세요. 만들 수 있는 경우에는 계산해서 위의 표에 추가한 후 email 로 답장을 보내드릴테니 내려받기해 주세요.
만약, 컴퓨터로 내려받아 인쇄하는 것이 귀찮아서 싫은 사람은 받는 주소를 적어 우표(국제우표)을 붙인 회신용봉투와, A나 B중 어떤 것을 만들고 싶은지를 편지에 적어 아래의 주소로 보내주세요.인쇄한 그림을 보내드리겠습니다. 미리 거절해 두자면, 여름방학 중이므로 기후대학若井(와카이)연구실의 학생도 추석전후에는 여름방학기간입니다. 그러므로 답장이 늦어질 수도 있습니다. 여유를 가지고 빨리 편지를 보내주세요.
단, 여기에서 인쇄가능한 크기는 A3까지입니다. 즉, 직경 70cm정도까지입니다. 그것보다 큰 것이 필요한 경우에는, 작게 인쇄되므로 확대복사로해 실물크기로 해주세요. (문구점등에서도 보통복사기는 A3까지이므로 특수한 복사기 이외에는 무리입니다).
email 로 받고 싶기를 원해도 접수할 수 없으므로주의해 주세요. 국제우표를 붙여 여러분의 주소를 적은 회신용봉투를 아래의 주소에 꼭 보내 주세요.
거울부품을 만들 수 있을 정도의 도화지를 준비해 주세요. 알루미늄호일도 준비해 주세요. 양쪽의 크기가 같도록 합니다. 도화지에 살짝 풀을 칠해 주세요. 그리고 알루미늄호일을 도화지에 꼭 맞게 붙입니다. 알루미늄호일과 도화지 사이에 공기가 들어가지 않도록 합시다. 들떠 있는 경우는 공기가 들어가 있다고 생각합니다. 그런 경우에는 수건등 부드러운 천을 접어 더욱더 부드럽게 해서, 알루미늄호일위를 살짝 누르면서 들떠 있는 부분이 밀착되도록 문질러 주세요. 표면이 거울처럼 매끄러워질수록 빛이 잘 모입니다. 분발해 잘 밀착시켜 주세요. 다음은 난이도가 높은 B거울의 제작방법과 같습니다.
우선, 같은 부품을 몇장이라도 만들기 위해, 원본(기본이 되는 그림)을 골판지같은 단단한 종이에 베껴서 그것을 정확히 오려내세요. 연필심의 굵기가 작은 쪽이 나중에 편합니다. 조금이라도 굵으면 나중에 실패합니다. 주의해 주세요. 이것을 벽지로 합니다. 집광기의 부품과 그 뼈대가 되는 부품도 마찬가지입니다. 집광기부품의 벽지를 사용해 스테인레스호일의 뒷면에 그 모양을 베낌니다. 이 때에도 상당히 정확하도록 틀림없이 베껴 주세요. 아래의 사진은 너비30cm, 길이90cm의 스테인레스호일의 뒷면에 종이가 붙여져 있는 것을 사용해 벽지를 베끼는 도중입니다. 주(秦)씨는 18장의 부품을 도화지로 잘라내 스테인레스호일의 뒷면에 배치해 정말로 전부를 한장의 스테인레스호일로부터 잘라낼 수 있는가? 를 시도해 보았다고 합니다. 사진은 그 모습입니다. 확실히 한장의 직경50cm의 거울부품을 얻을 수 있군요. 다음은 이 모양을 잘 뒷면에 베끼면 됩니다. 또, 이 사진은 비스듬히 찍은 것이므로 삼각형의 길이가 실물보다 짧게 보입니다. 실물은 조금 더 길고 가늡니다.
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부품도를 베낀 후 조심스럽게 오려내 주세요. 처음에 인쇄한 종이에 그려있는 그림의 크기와 꼭 맞히는 것이 이상적이지만, 어렵기때문에 될 수 있으면 작은 쪽이 좋습니다. 조금이라도 크면 완성된 결과가 좋지 않습니다. 예를 들면, 0.5mm(샤프펜심의 굵기정도)만 크더라도 전부 나열하면 9mm나 커져 버립니다. 최후의 부품이 밀려나와 버려서 첫번째 부품과 겹쳐져 버립니다. 조금씩 작은 편은 틈이 조금씩 생길뿐이므로 별 문제가 되지 않습니다. 그런 것을 생각해 잘 오려내 주세요. 스테인레스호일을 자를 때에는 가위도 좋은 것을 사용해 주세요.종이를 자르는 가위를 엄마한테 혼납니다. 금속판 절단용 가위가 좋지만 가끔 그런 가위가 자를 수 없을 정도의 단단한 것을 잘라 버려서 날에 상처가 있는 경우가 있습니다. 그런 가위라면 자른 후가 반듯하지 않고 둘쭉날쭉해 집니다. 그런 것을 부품으로써 붙이면 더욱더 완성품이 깔끔하지 않습니다.
뼈대도 기본적으로는 같은 작업입니다. 여기에서는 거울부품처럼 신중하지 않아도 별 문제는 없습니다만, 신중해 손해 보는 일은 없습니다. 원본으로부터 골판지에 우선 그림을 베껴 주세요. 만약 여러분이 공작이 미숙하다고 생각한다면 나중에 수정이 필요할지도 모릅니다. 그런 점을 고려하면 이 뼈대의 길이를 길이가 긴 것으로부터 5mm정도 작게 해두는 편이 좋을지도 모릅니다. 이유는 나중에 설명하겠습니다.
한편, 뼈대는 종이가 두꺼우므로 손이 작은 사람에게는 자르는 것이 힘들지도 모르겠네요. 거울부품도 잘 자를 수 없었던 사람은 가위를 잘 골라주세요. 될 수 있는 한 가위의 지탱점과 손잡이가 멀고, 날이 짧은 것이 자르기 쉽습니다. 천을 자르는 가위는 지탱점과 손잡이의 거리가 지탱점으로부터 날끝까지의 거리와 같은 정도이므로 날의 안쪽부분으로는 잘 잘라지지만 끝부분은 자르기 힘듭니다. 아무리 찾아도 그런 가위가 없는 경우에는 날 안쪽부분으로 조금씩 잘라 주세요. 어떤 공작과정도 익숙해져서 숙련되기 전에는 신중하게 천천히 기술을 익힙시다.
필요한 직경이상 크기의 베니야 판을 준비해 주세요.(A의 작은 거울을 만들 사람은 두꺼운 도화지나 골판지도 괜찮습니다). 그리고 그 직경의 원을 큰 컴퍼스로 그려 주세요. 큰 컴퍼스가 없는 경우에는 핀을 중심으로 해서 실의 끝을 그것에 묶어서 그 실의 길이가 반경이 되도록 연필을 묶어, 그 연필을 베니야판의 위에 돌려 그려 주세요. 이 크기는 꼭 직경일 필요는 없습니다. 하지만 원형은 꼭 지켜 주세요. 정확한 원형이 되어 있지 않으면 볼 품이 없게 됩니다. 모처럼 만드는 것이므로 잘 만듭시다.
다음으로 이 원안에 뼈대를 세우는 위치를 정하기 위해서 조금 전에 그린 큰 원의 중심과 동일점을 중심으로 이번에는 가지고 있는 컴퍼스로 될 수 있는 한 큰 원을 그립시다. 물론, 조금 전에 집광기의 크기의 원을 그릴 때 컴퍼스로 그릴 수 있었던 사람은 여분으로 원을 그릴 필요가 없습니다.
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다음으로 부품을 12장 만들 때에는 그 원주를 6등분(각각60°로 한다.)해서, 각각을 다시 이등분(30°로 한다)해 주세요. 이 방법은 알고 있지요? 잊어버린 사람을 위해 설명합시다. 위의 그림을 보면서 읽어 주세요. 조금 전에 컴퍼스를 사용해 그린 원을 두껍게 나타내고 있습니다. 우선 이 원의 중심(O)을 지나는 직선(X)을 그립니다. 두꺼운 선의 원과 그 직선과의 교점(A)에서, 조금 전에 사용한 컴퍼스로 그 원의 반경에 상당하는 거리에 있는 원주위의 점을 구합니다. 여기에서는 B와C점입니다. 점 B와 중심O, 또는 점 C와 중심O을 지나는 직선(Y와Z)을 그으면, 조금 전의 직선과 맞추어 3줄의 직선이 되어, 그것들의 직선 X, Y, Z로 원주가 6개로 나누어지지요. 이것이 6등분입니다. 다음으로 그 하나의 각BOC을 이등분해 봅시다. 그것을 위해서는 점 B와 점C를 중심으로 하는 같은 반경의 원을 그려, 그것들이 서로 교차하는 점 E를 구합니다. 그러면 그 점이 각 BOC를 이등분하는 점입니다. 그러므로 점 O와 점E을 연결한 선을 연장해, 두꺼운 선과 교차하는 점을 왼쪽이든 오른쪽이든 구하면, 그것이 각BOC 및 그 반대쪽을 이등분하는 선입니다. 같은 방법으로, 각 AOC, 각AOB에 대해서도 이등분을 반복하면 12등분이 가능합니다.
뭔가, 귀찮다거나 각도기로 30°로 하면 편하지 않을까라고 생각하는 사람이 있겠지요. 그렇지만, 확실히 이 방법이 훨씬 좋겠습니다. 각도기로 각도를 재면 그 오차가 점점 쌓여서 부품을 18장으로 만들 때는 마지막 한 장이 각도가 너무 커지거나 작아지게 된다. 자신이 있는 사람은 물론 각도기로 그려도 지장없습니다.
거울 B 의, 18등분의 경우는 12등분처럼 컴퍼스와 자만으로는 할 수 없습니다. 우선, 거울A의경우와 같이 컴퍼스로 원주를 6등분해 주세요. 그 뒤는 컴퍼스로는 무리이므로 한개의 각도가 60도가 되어 있으므로, 그것을 각도기로 20°씩 삼등분해 주세요.
오른쪽의 사진은 주(秦)씨가 베니야판에 그린 것입니다.
원판을 받침대의 중심에 송곳으로 구멍을 냅시다. 그래서, 빨래를 널 때 쓰는 철사로 된 옷걸이를 엄마에게 받아서 두번째 방법의 설명에 나오는 사진과 같은 모양으로 구부려서 뚫은 구멍을 통해 뒤에서 고정시켜 주세요. 이 때, 나중의 간이적도기(태양을 향해 방향을 간단히 고정할 수있는 장치)를 스스로 만드는 경우, 구멍근처에 나무를 접착시키므로 너무 크게 만들지 말아 주세요. 그래도 걱정인 사람은 그 제작방법을 먼저 본 후 그 부분을 만들어 주세요.
철사의 모양은 사진과 같이, 예를 들면 선단부는 달걀을 얹어 놓기에 적당한 직경으로 둥글게 만들어 그 중심이 거울 중심선상에 오도록 하면서 높이가 초점거리 (20cm 또는 13cm)가 되도록, 위치를 정해 구멍에 통과시킨다. 그리고 뒤에 나온 철사를 직각으로 굽혀서 베니야판의 원판에 꼭 부착시킵니다. 베니야판에 부착시킬 때에 철사가 베니야판의 뒷면에서 또 직각으로 접하도록 굽혀두면 위에 있는 달걀을 놓는 곳이 안정됩니다.
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조금 전에 그린 12개(거울A의 경우)또는 18개(거울B의 경우)의 선 상에 뼈대를 직각으로 붙여 세웁니다. 접착제는 G17본드거나 세메다인, 목공용 본드여도 좋습니다. 사진은 열심히 만드는 주(秦)씨입니다.
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뼈대의 설치가 끝나면 그 곡선부에 접착제를 주의해서 살짝 바릅니다. 많이 발라서 번지지 않도록 합시다. 그 위에 삼각형모양의 부품의 중심을 싣도록 붙입니다. 다음으로 붙이는 쪽의 밑 몇 곳에 사진과 같이 셀로테이프(사진에서는 알기 쉽도록 파란 테이프로 해 두었습니다)를 반 틈만 나오도록 붙여 둡니다. 다음의 받침판에 또 접착제를 요령 좋게 잘 바릅니다. 그리하여 다음 거울부품을 그 위에 얹음과 동시에 좀 전에 붙여 두었던 셀로테이프로 이웃한 것을 빈 틈 없이 잘 붙입니다. 다음다음으로 진행해 완성했을 때 이 부품의 제작방법이 나쁘면 큰 틈이 생기거나 겹치거나 합니다. 주의해 주세요. 겹치는 부분을 억지로 겹치지 않도록 하면 정교한 거울이 되지 않고, 옆에서 본 한장한장의 거울부품이 삐뚤삐뚤하게 방향이 틀어집니다. 그러면 각각의 거울부품으로 반사되는 태양의 빛은 서로 다른 방향을 향해 예정된 초점을 향하지 않습니다. 이것으로는 집열기의 능력이 낮아져 버립니다. 그렇게 되지 않도록 뼈대의 골판지의 주위에 뼈대의 바깥둘레쪽의 높이와 같은 너비의 두꺼운 도화지로 뼈대를 전 둘레를 감싸두르면 그 두꺼운 도화지가 거울부품의 아래에 직접 닿아 덜컹덜컹하지 않습니다. 앞에 뼈대의 길이를 조금 짧게 하면 좋다고 쓴 것은 이 때를 위해서 입니다. 하지만, 옆에서 봐서 정교하게 되어 있으며 그것은 하지 않아도 괜찮습니다.
사진을 봐서 알 수 있듯이 이 작업에서는 손의 기름이 스테인레스호일에 뭍기가 쉽고, 표면이 누굴누굴해집니다. 또 절단할 때는 손이 호일의 절단면에 닿아 손이 상처 입기 쉽습니다. 작업용 장갑을 끼고 절단하면 상처도 입지 않고 표면을 더럽히지도 않습니다.
만약 스테인레스호일이 아주 많이 더럽혀져 있으면 비눗물을 묻힌 헝겊이나 수건으로 거울부품의 선에 따라 닦아내세요. 이 경우 비누가 남지 않도록 나중에 물을 묻힌 헝겊으로 여러 번 닦아내 주세요. 그래도 남아 있는 때는 본드일지도 모릅니다. 신나나 알코올로 닦아냅시다.
자, 이것으로 일단 완성입니다. 여기서 태양이 떠 있는 시간이라면 태양의 방향을 조사해 봅시다. 초점위치에 철사로 된 링이 있습니다. 거기에 하얀 종이를 놓아 보세요. 그 종이가 동그랗게 빛이 난다면 대성공입니다. 그 빛나는 동그란 부분의 크기는 거울부품으로 한 삼각형의 스테인레스호일의 가장 끝의 길이정도입니다. 즉, 그 길이이상으로 좁은 부분에 빛을 모으는 일은 불가능합니다. 부품장수를 늘린다면 그 길이를 줄이는 것이 가능하므로 빛이 모이는 면적를 작게 할 수있습니다. 결국, 동일면적에 모아지는 빛에너지는 커집니다. 하지만 좀전에도 설명한 것처럼 거울부품이 이상적으로 나열되는 것은 어려워져 아주 작은 부품을 많이 사용하는 것은 좋지 않습니다. 표에서 선택하는 대소 두개의 표준품의 장수는 각각의 조건에서 만들기 쉽고, 성능도 좋은 것입니다. 공작에 자신이 있는 사람은 더욱더 장수가 많은 것에 도전해 보세요.
아래에 있는 사진은 약15년 전에 망원경용의 적도기입니다.
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사진자체가 기울어져 찍혀있습니다. 오렌지색의 슈미트-카세그레인식 망원경의 아래에 있는 가로의 굵은 막대기모양의 축이 자전축이라는 것으로 그것을 확대한 것이 오른쪽 사진입니다. 삼각형이 어떤 것인지 알겠습니까? 그 삼각형의 극축이 얹혀져 있지만 은색의 원판에 눈끔이 있어 그것을 자신이 살고 있는 위도에 맞춥니다. 제가 사는 곳은 약35.5°입니다. 이 각도는 지구의 자전축과 자신이 살고 있는 위치의 지면의 각도차이를 보정하는 것으로 만약 북극에 살고 있다면 이 축은 연직방향을 향하고, 적도에 살고 있다면 지면과 평행을 이룹니다. 집열기의 방향을 맞추는 데에는 그렇게 이 각도를 정확히 할 필요는 없지만 당신이 살고 있는 장소의 위도를 알고 싶은 사람은, 예를 들어
한여름의 낮, 거의 태양이 머리 위에 떠있어 쨍쨍 빛이 쬐는 날에는 지면에는1m평방(1m2)당 1kW의 태양에너지가 내려 쬐입니다. 시중에 판매되고 있는 태양전지는 그 10%-15%정도를 전기로 전환하기때문에 100W-150W의 에너지를 얻을 수 있습니다.
그렇다면 지금 만들려고 하는 태양열집광기는 얼마만큼의 에너지를 모을 수 있을 까요? 직경 35cm의 경우 효율이 약30%로 30W입니다. 직경이50cm로 효율이 약50%라고 하면 100W가 됩니다. 여러분이 알고 있는 전자제품중에 30W의 것이라고 하면 커다란 원형의 형광등이 있습니다. 열을 내는 것에는 용량이 큰 인두가 있습니다. 전자부품을 붙이는 인두는 15-20W입니다. 100W의 것으로는 전구가 있습니다. 3-4평용은 아마도100W입니다. 100W의 전열기는 모르겠습니다. 250W정도라면 전기곤로의 힘이 약한 것이 있습니다. 대강 500W부터 600W가 힘이 약한 전기곤로이지만, 스위치를 약하게 하면250-300W, 더욱더 약하게 할 수 있는 경우, 그것은 125-150W입니다. 토스터기는 500-1000W정도입니다. 약한 스위치라면 그 반입니다. 전기스토브는 좀 더 강합니다. 그렇게 강하지 않는 것이라도 1kW정도입니다. 태양열로 그만큼의 에너지를 얻으려면 일본에서는 한여름 낮에 1평방미터에서 겨우 1kW이므로 50cm의 직경에서는 효율 등을 고려하면 100W정도밖에 얻을 수 없습니다. 반대로 전기나 가스 등은 좁은 장소에서 쉽게 1kW, 2kW라는 큰 에너지를 얻을 수 있습니다. 인류는 그런 기술을 개발했으나 한편 그 에너지의 원천을 생각하면 지금 현재 화석연료로 불리어지는 석유, 천연가스, 석탄이 원천이므로, 말하자면 태양에너지를 아주 오랜 세월에 걸쳐 저장한 에너지를 현대인이 한번에 써버리는 기술이기도 한 것입니다. 지금 수소에너지시대라 불리워지고 있지만, 그 수소는 지상에 그냥 존재하는 것은 아닙니다. 결국은 화석연료나 원자력으로부터 만들지 않으면 안 됩니다. 하지만 세계적으로 봤을 때 그 원자력의 전체에너지 소비가 차지하는 비율은 기껏해야 7%정도 입니다. 그러나 태양전지나 풍력발전,바이오메스 등의 자연에너지를 사용하면 좋겠지요라는 생각이 신문 등에 실려 있지만 이것도 실은 힘든 상황입니다. 왜냐하면 그 에너지들은 결국 태양에너지를 사용하는 것이므로 오랜 세월 저장하여 단시간에 써버리는 방법과 비교하면 아무래도 약합니다. 상당히 넓은 면적을 이용하지 않으면 지금 선진국이 사용하는 에너지를 공급하는 것은 불가능합니다.
그렇습니다. 우리들은 더욱더 에너지를 귀중하게 사용하지 않으면 안 됩니다. 스위치를 키면 전기를 쓸 수 있습니다. 텔레비전뿐아니라 에어콘도 사용할 수 있습니다. 밸브를 열면 가스도 자유롭게 이용할 수 있습니다. 아빠가 엑셀레이터를 밟으면 자동차는 눈 깜짝할 사이에 시속 100km/h가 됩니다. 편리한 세상이지만 그런 생활을 계속하면 여러분이 어른이 될 때까지 괜찮을까요? 여러분이 노년기에 이르러 여러분의 자녀들이 성인이 되었을 쯤에는 엄청난 에너지난을 겪고 있을지도 모르겠습니다.
집열기의 모양을 결정하는 조건은 직경과 초점거리 그리고 부품장수입니다. 각각 어떻게 정하면 좋은까, 설명하겠습니다.
- 직경
위의 설명을 다 읽은 사람은 직경이 큰 의미를 가지고 있다는 것을 아셨지요. 그래서 35cm정도의 것이라면 약30W이 된다는 것을 알겠지요. 하지만 이것은 잘 만들지 않으면 효율이 낮아집니다. 50cm정도라면 100W가 됩니다. 70cm라면 그 배의200W가 되고, 직경1m라면 또 그 두배의 400W정도가 됩니다. 점점 위험해지기도 합니다. 만들기도 어려워집니다.
- 초점거리
초점거리란 거울의 면과 빛이 모이는 점까지의 거리를 말합니다. 이 크기가 갖는 의미를 이해하는 것은 어렵습니다. 대강 어림잡아 직경의 반 또는 그것보다 조금 짧은 것이 됩니다. 만약 직경의 1/4로 한다면 빛이 모이는 점은 거울의 깊이와 일치합니다. 그러면 가열할 때 한 옆으로 빛이 닿기때문에 평평한 것은 불리합니다. 달걀같은 모양의 것이라면 상관없습니다. 평평한 것을 가열하기 쉽게 하려면 초점거리가 긴게 좋지만 조금이라도 굽어지면 초점이 멀어질 수록 빛이 반사되어 향하는 방향의 오차가 커지므로 한 곳에 빛이 모이기 힘듭니다. 자세히 말하자면, 태양의 상이 초점에 생기는 것이지만 그 상이 초점거리가 길어 질 수록 커지기때문에 빛이 집중적으로 모이지 않으므로 센 가열장소를 만드는 것이 불가능합니다. 이정도의 거울에서는 그 태양의 상의 크기가 별 문제가 되지는 않습니다. 그것보다 거울의 제작방법에 의한 영향이 더 큽니다.
가열하는 것에 따라 초점거리를 정하지 않으면 안 된다는 것을 알았다고 생각하지만 만능의 것을 만들고 싶다면 초점거리는 직경의 반정도로 설계해 주세요.
- 장수
장수가 적으면 만들기가 쉬워집니다. 하지만 장수가 적으면 거울 한장의 부품이 커집니다. 조금 전에 설명했지만 삼각형모양부품의 원주부가 되는 변의 길이가 빛이 모이는 것을 결정합니다. 왜냐하면 이 스테인레스호일과 알루미늄호일은 기본적으로 테두리방향으로 직선이므로 빛을 모을 수 없는 것입니다. 빛을 모으는 것이 이 집열기의 목적이므로 가능한 한 좁은 거리에 빛을 모으고 싶은 것이지만 장수가 작으면 그 범위가 넓어져 버립니다. 그렇기때문에 작은 범위에 빛을 모으기위해서는 장수를 늘릴 수록 좋습니다. 한장한장의 각도가 조금씩 달라지므로 원에 가까운 곡면이 되기때문입니다. 실제로 본래의 집열기는 무한히 많은 부품들로 이루어져 있다고 생각해도 좋습니다.
그렇다해도 필요이상으로 장수를 늘리는 것이 좋은 것만은 아닙니다. 공작의 정밀함이 이상적이라면 좋습니다만 아무래도 종이로 만드는 점도 있어 정밀함이 보증되는 것은 아닙니다. 한장한장이 이상적으로 각도를 유지하고 있다면 좋지만 조금이라도 각도가 틀어지면 초점과 다른 방향으로 빛을 반사하므로 오히려 빛을 산란시켜 버립니다. 만약 가열하는 대상물이 달걀이라면 문제의 변의 길이가 달걀의 크기정도가 되도록 장수와 직경을 정하면 좋은 것입니다. 공작이 특기인 사람은 장수를 늘려서 해보세요.
- 온도계로 평가가 가능할까요?
누구라도 집열기가 완성되면 그 성능을 알고 싶어지지요. 누구라도 알수 있지만 몇도까지 온도가 올라갔는가라는 것이겠지요. 하지만 온도측정만큼 어려운 것이 없습니다. 어떻게 해서든 온도로 성능을 평가하고 싶다면 비교대상도 같은 조건에서 측정할 필요가 있습니다. 그것을 가능하게 하려면 다음과 같은 문제가 발생합니다. 그것은 보통의 온도계로 측정가능한 것은 정확도가 안 좋습니다. 정말로 정확도를 높이려면 도달온도는 6000℃까지 대응할 수 없으면 안 됩니다. 실제로 6000℃까지는 되지 않겠지만 이상적인 거울이라면 6000℃가 됩니다(이것은 진짜의 포물선을 이루는 오목형태의 진짜의 거울이라면 초점거리에도 직경에 상관없이 그런것이 가능하다고 말할 수 있습니다).이 이상의 설명은 점점 어려워지므로 어떻게해서든지 알고싶은 사람은 다음 장에 설명하겠으니 읽어주세요.
그럼 여기에서 만든 거울은 이상적이라곤 말할수 없는 것이지만 그렇지만 이전에 저의 차남이 만든 경험으로부터 수백℃에 이르는 것을 알 수 있었습니다. 그러나 보통의 알코올이나 수은이 들어있는 막대온도계로 측정해도 반드시 100℃는 되지 않을것입니다. 그렇다면 비교 가능하다고 생각할 수 있겠지만 그 방법은 틀린 것입니다. 실은 그 경우 열이 손실되기 때문에 온도가 올라가지 않습니다.똑같은 것으로 물체를 가열할 때도, 예를 들어 삶은 달걀을 만들기 위해 달걀을 그대로 초점위치에 놓는다해도 좀처럼 삶아지지 않을 것입니다. 여러분은 알고 있을 것으로 생각되지만 검은색을 칠하면 더 빨리 익습니다. 빛에너지를 거의 흡수하기 때문입니다. 하얀색은 빛을 반사해버리기 때문이라고 학교에서 배웠지요? 같은 경우로 온도계도 검은색을 칠하면 온도가 팍팍 상승합니다. 그러면 이번에는 100℃를 넘어버리기 때문에 온도계가 파손되어 버립니다. 그렇기 때문에 100℃이상 500℃정도까지 무난히 측정가능한 온도계가 필요합니다.
그런 이유에서 일반가정에 있는 온도계는 진짜의 성능을 측정하는 것이 불가능합니다.
- 어떻게 하면 다른 사람과 같은 조건에서 성능평가가 가능할까요?
여러가지 방법으로 생각할 수 있지만 간단한 방법을 제시하겠습니다. 야채쥬스나 캔커피의 비교적 가는 캔을 사용합니다. 그것을 가로로 반으로 절단해 아래 쪽을 사용합니다. 표면은 검은색 락카로 칠합니다. 크레파스로 칠해도 좋습니다. 그 안에 정해진 양 예를 들어 100cc의 물을 넣어 그것이 20℃정도부터 끓기 시작할때까지의 시간을 사용하면 어떻습니까? 삶은 계란은 이 안에 만들면 안심입니다. 폭발할 염려가 없습니다. 성능이 좋을수록 물이 끓는 시간이 단축되기 때문에 만약 여러분이 성능경쟁을 한다면 그 시간의 단축을 경쟁하면 좋을 것입니다.
우선 물이 얼마나 들어가있는지 측정해 주세요(cc 또는 cm3). 다음으로 그 물의 온도를 측정해 주세요. 마지막으로 그것을 태양을 향하고 나서 끓을 때까지 걸린 시간을 재어 주세요. 그러면 여러분이 만든 집열기의 성능이 다음의 계산으로 알 수 있습니다.
4.2 x 물의 부피 x (100 - 처음 온도) / 끓을 때까지의 시간 (W)
이것을 효율로 표현한다면
4.2 x 물의 부피 x (100 - 처음 온도) / 끓을 때까지의 시간 x 40/ (3.14 x 거울의 직경 x 거울의 직경) (%)
으로 계산가능합니다.
그 캔은 태양의 고도가 낮은 아침 또는 저녁무렵에는 물이 넘쳐버리지요. 그래서 스스로 균형을 잡을수 있는 것을 만들면 항상 바닥이 아래를 향해 물이 넘치지 않도록 할 수 있습니다.
그런데 이상적인 거울이라면 도달가능한 온도가 6000℃라고 전에 적었습니다. 정말 그렇게 될까요? 실은 20년이상전에 일입니다. 여러분의 아버지,어머니가 학창시절의 일입니다. 지금(2003년 여름)은 이라크가 전쟁상태에 빠졌고, 이스라엘과 팔레스티나가 화해를 할 듯하며 좀처럼 화해를 하지 않습니다만, 그 20년이상전에 똑같은 상황이 있었습니다. 전쟁이 몇 번이나 일어났던 것입니다. 그래서 석유를 운반하는 것이 위험해 세계에 석유를 자유롭게 수출할 수가 없었습니다. 그 일을 지금 사람들은 석유파동이라고 부릅니다. 그 당시 역시 지금과 같이 태양에너지와 자연에너지가 중요하다는 목소리가 컸습니다. 그 때, 나고야시의 공업시험소의 야구치(野口)교수는 직경1m정도라고 생각하지만 진짜로 이상적인 거울면을 완성한 실험을 NHK TV에서 방영했습니다. 그 당시에는 가는 철로 된 봉이 그 초점위치에서 새빨갛게 달구어지어 녹아 뚝뚝 떨어졌습니다. 철이 녹는 온도는 약 1500℃입니다. 그렇기 때문에 더욱더 온도를 높일수 있는 가지고 있었던 것입니다. 이렇게 생각해 보면 6000℃라고 말해도 좀처럼 믿을 수 없겠지만 약2000℃라면 가능할 지도 모른다는 생각이 들지 않습니까? 그런 높은 온도에 여기에 있는 집열기가 도달하기에는 어렵겠지요.
실은 이 온도는 이상적인 거울을 사용하면 어떤 초점거리라도 어떤 직경이라도 6000℃가 됩니다. 본래의 태양 표면온도도 같습니다. 이런 온도를 전문용어로 광도온도라 합니다.
과학과목에 특출한 형, 누나 중에는 초점거리가 길어지면 태양의 상이 커지기 때문에 상당하는 온도는 점점 내려갈 것이라고 생각하겠죠? 그러나 초점거리가 길어지면 빛의 입사각도가 작아집니다. 일정의 각도내의 원기둥의 중심을 향한 빛의 에너지는 각도의 제곱에 비례하지만 그 각도는 초점거리에 비례해 작아지기 때문에 결국 어느 정해진 각도의 원기둥의 중심을 지나는 빛의 양은 초점거리의 상황에 비례하게 됩니다. 상의 면적도 초점거리의 제곱에 비례해 커집니다. 그러므로 상의 단위면적당 나오는 에너지는 서로가 상쇄되어 초점거리의 영향을 받지 않게 되는 것입니다. 그것은 태양의 표면온도와 일치하는 것입니다.
거울의 직경이 클수록 많은 에너지가 모이므로 온도도 높아지지 않을까라고 생각되지요? 하지만 광도온도로 생각하면 그 온도는 직경의 영향을 받지 않습니다. 직경이 크면 넓은 각도로 상의 위치에 빛이 모여 상으로부터 나오는 것입니다. 어느 각도내라고 생각하면 직경은 관계가 없게 됩니다.
그래서 만약 온도계가 받은 열을 잃어버리지 않는다면 이상적인 집열기에 의해 도달온도는 6000℃가 될 것입니다. 밖으로 열을 잃지 않는다고 가정했습니다만 태양으로부터 열을 받는 이상 태양으로 열을 주는 것도 됩니다. 일방통행만 하는 경우란 존재하지 않습니다. 태양광으로 가열된 물체의 온도가 태양표면 온도와 똑같다면 태양으로부터 오는 열은 태양을 향해 발산되는 에너지와 일치해 버립니다. 그렇기 때문에 그 이상의 온도는 되지 않습니다.
실제로는 태양의 방향이외에도 열은 손실됩니다. 특히, 초점거리가 길은 거울의 직경이 작은 경우는 아주 작은 각도에서만 태양열이 물체에 모아지지만, 물체는 모든 방향에서 열손실이 일어나기때문에 모아진 태양열과 비교하면 초점거리가 길면 길 수록, 거울의 직경이 작으면 작을 수록 흡수되는 열에 대하여 손실되는 비율이 훨씬 더 커진다. 그렇기때문에 이상적 이론으로 직경과 초점거리에 무관계한 도달온도는 6000℃가 될지 모르지만, 실제는 그 영향이 상당히 크게 작용하다는 것을 알수있다.
출처 : 금강지인
글쓴이 : 금강지인 원글보기
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