「協同」一詞源自希臘語，意思是「共同努力」。該項目將Papasan椅現有的拋物線形狀和舒適的坐墊與太陽灶的天然能源利用結合。我的希望是，本著協同作用的精神，整體將大於各個部分的總和，並且人們可能會發現擁有太陽灶的想法更實用，如果他們也可以在不使用太陽灶時坐下來閱讀在使用中。與傳統的單一功能拋物面太陽灶相比，該項目在不使用時充當椅子，節省空間，並且比傳統拋物面太陽灶更少火災隱患。它主要是用回收的材料建造的，不會造成消耗。
內容
巴特·奧蘭多
當地太陽能烹飪專家和適當技術創新者巴特·奧蘭多啟發並共同創建了這個計畫。巴特在學期開始時在全班同學面前發言時提出了他對帕帕桑椅太陽灶的設想，並將其作為課堂專案。 Bart 與洪堡地區的學生合作超過 15 年，建造和設計踏板驅動和太陽能驅動的原型教育顯示器。與 Bart 合作意味著該專案受益於來自多年經驗的創新設計。有關 Bart 專案的更多信息，請訪問這些[1]、[2]和拋物線籃式太陽灶網頁。 Bart Orlando 的主頁學生希望與他一起啟動一個項目，其標題為“Projects With Bart”。
文獻綜述
- 丹尼爾斯、法靈頓。直接利用太陽能。紐黑文和倫敦：耶魯大學出版社，1964 年。
本書簡要概述了拋物面太陽灶的應用和結構。還包括許多其他利用陽光烹飪的方法的資訊。
- 哈拉西，DS Junior。太陽能時代的來臨。紐約：哈珀和羅，1963 年。
包含小型太陽能專案的有趣歷史概述，包括拋物線專案。
- 大衛‧麥克丹尼爾斯。紐約：約翰威利父子公司，1979 年。
對太陽輻射的利用以及太陽能熱應用進行更技術性的研究。
雖然很高興看到有關於太陽能的文獻，但我找到的書籍對這個計畫沒有太大幫助。這些連結很有幫助：
- http://solarcooking.wikia.com/wiki/Compendium_of_solar_cooker_designs - 大量不同太陽能專案的清單。很多圖片。很好的維基，有很多資訊。
- http://solarcoking.org/ - 整體來說是很好的資源。設計、圖片、資訊、提示等。
- http://www.fsec.ucf.edu/en/research/solar Thermal/solar_cooker/documents/reflecturalmaterialsreport.pdf - 詳盡但有些雜亂的反射材料清單。反射器部分的圖表就是以此為基礎的。
標準
此專案的設計考慮了以下標準：
時間– 必須能夠在一個大學學期或大約 4 個月的兼職勞動的時間內設計和建造。
預算－沒有固定的預算，但是大多數人可以回收或輕鬆獲得的材料越多越好。
耐久性－該專案必須能夠承受在使用過程中或數年內定期暴露在自然環境中，尤其是陽光。另外，坐在椅子上不得損壞反光鏡。
便攜性——該設備應該重量輕，以便一個人可以毫不費力地移動它，並且足夠緊湊，可以通過自行車拖車牽引。藤條是許多 Papasan 椅子的製造材料，重量相當輕，因此反射材料成為重量方面的關鍵問題。
設計- 應將新的改進或以前未想到的創新納入太陽灶計劃中。在微風中應該會穩定。
協同/整合-應該是一個多功能設備，能夠輕鬆淨化水以及烹飪食物，在需要時點燃紙或草，並且仍然能夠輕鬆融入日常家庭環境。
嵌入能量水平- 應該找到或回收材料，以便可以證明可以在沒有工業設備的情況下建造它。
易於使用-如果要使用多個部件，那麼它們應該是安全的，採用直覺的設計，並且不需要使用工具進行操作。
設計
太陽能灶背景
太陽灶用於將陽光集中到鍋子或盤子上。它可以用來烘烤、油炸、做爆米花、煮飯、生火、消毒和燒水。這在陽光普照的地區有潛在的重要應用，這些地區烹飪的燃料稀缺，或者由於燃料變得更加稀缺，婦女必須離開村莊越來越遠去採集木材。如果太陽能烹飪流行起來，它將成為一種類似於燒烤的新型戶外休閒方式，但它與整個世界（即太陽）直接相連，並且沒有碳足跡（如果人們重複使用盤子和銀器） ）。
太陽灶有多種形狀，從盒子狀到拋物線形、球形、漏斗形和平面鏡形。每種形式在結構、耐用性、材質、性能等方面都有不同的優缺點。
那為什麼是拋物線呢？
拋物面炊具似乎比其他類型的太陽能炊具更重、更昂貴。由於它們將光線聚焦到一個小區域，因此需要不斷跟踪太陽才能有效（大約每 15 分鐘調整一次）。其他太陽能炊具（例如太陽能烤箱）利用溫室效應將熱量捕獲在封閉區域中，而拋物面炊具實際上將陽光從較大區域集中到較小區域。
拋物面太陽能炊具的元件
框架
這是炊具的支柱。它必須是：
- 足夠堅固以支撐反射器的重量（可能還有食物，取決於設計）
- 足夠穩定，可以應對溫和的風，而不會有熱/沸騰的食物/液體灑在地面和人身上的風險
- 足夠輕，可以頻繁調整以追蹤太陽。
框架可以多種方式建構；它可以用模具鑄造，用衛星天線甚至黑莓灌木叢等回收材料製成，也可以用專門用於炊具的新材料製造。它也可以利用預先存在的拋物面（如本例所示）。
- 在這個設計中，使用過的 Papasan 椅子提供了堅固、輕巧、有點穩定的骨架，而無需購買新材料。這種設計方法並非在世界所有地區都適用，但這款 Papasan 椅子框架的材料藤條在亞洲、非洲和澳洲廣泛使用。
反射鏡
反射表面本身可以是多種材料。有時，薄金屬框架是圍繞單塊鑄造拋光金屬製成的。表格比較了 Papasan 椅子太陽能炊具的潛在反射器的不同方面：
| 材料 | 反射率 | 重量 | 網上報價 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拋光陽極氧化鋁 | 〜95% | 光 | ~$7/平方英尺 | 反光、輕質、可回收、結構耐用、易於彎曲和塑形 | 容易刮花，價格也不便宜 |
| 聚酯薄膜 | >98% | 超輕 | 4'x'50 卷 30 美元 | 超反光、超輕、超便宜 | 不擅長承受自然環境，如果膠水開始脫落，會形成“氣泡”，需要剛性背襯 |
| 鋁箔 | 88% 樂觀的一面 | 超輕 | 1.5'x70' 卷 3.29 美元 | 極為便宜且廣泛使用 | 不那麼反光，與酸性果汁混合時會腐蝕，結構脆弱，只能持續一到兩次 |
| 罐蓋 | 70-80%（我的估計） | 光 | 自由的 | 廣泛可用、有效、可挽救，我有沒有提到免費？ | 反光性不強，形狀不均勻，使用起來需耗費大量人力 |
| 亞克力鏡子 | 99% | 中型/重型 | 1'x4' 飛機 78 美元 | 非常反光，幾乎牢不可破 | 來自平面，可能很難擬合拋物線並仍保持反射率，超級昂貴 |
| 玻璃鏡 | 99% | 很重 | 至少 100 美元/平方英尺 | 超級反思性、廣泛性——意味著它可以被挽救 | 非常昂貴的新產品，採用剛性平面 - 可以打破以適應馬賽克中的拋物面，以換取精確的焦點 |
| 天文箔 | 76% | 光 | 1'x50' 卷 37 美元 | 比較強 | 不那麼反省 |
- 許多具有高反射率和強度的潛在材料只能透過工業公司的特殊訂單獲得。雖然我沒有嘗試訂購或要求捐贈這些優質產品，但製造商通常會大量交易。
此外，我不確定特殊訂單的工業超級反射器是否符合該項目的可回收性和廣泛可用性的標準。也就是說，對於有抱負的DIY太陽能技術人員來說，一卷高品質反光材料可能是一項明智的投資。
巴特的三角形鋁反射器的特寫視圖，帶有馬車螺栓。
- 該項目最終使用了巴特·奧蘭多捐贈的先前擁有的陽極氧化拋光鋁板。幾年前，該板材曾被等離子切割機切割成三角形，以便在不同的炊具中使用。他以 80 美元的價格購買了 4'X 8' 的新床單，但他聲稱當地的廢品回收場定期提供更便宜的床單。
食物盛放裝置
炊具的下一部分其實是用來盛裝食物的。這必須符合一些標準。它必須是：
- 黑色，因為容易吸收陽光。
- 能夠承受強烈的能量而不會有毒（無塑膠鍋柄）
- 可以從上方懸掛在三腳架上，也可以安裝在拋物面的邊緣平面上。
由於該項目還具有椅子的功能，因此我們認為懸吊比安裝在拋物線上的桿子更有意義。
本計畫考慮了一些保存食物的可能性：
- 12 吋自行車輪圈，帶有3 個以120 度角向外延伸的鉤子。 ，煎鍋或烹飪鍋。
- Gaiam推出的一款名為「HotPot」的產品。這個鍋子是專門為利用太陽光線烹飪而設計的。這是一個很好的太陽能食品容器的例子，因為它是導電的、黑色的，並且包含一個空氣絕緣層，這樣風就不會冷卻鍋子。我們決定放棄購買其中一款，轉而選擇更可挽救的設計。
HotPot 烹飪容器由一個懸掛在帶蓋的透明鍋內的黑鍋組成
- 一個加侖大小的錫罐，塗上黑色蛋彩畫。帶有紙底的鋼絲衣架可以從紙上取下，露出一加侖大小的罐子的完美支架。罐子上距頂部 1 英寸處以 180 度角刺有 2 個孔，並將衣架掛在裡面。裝滿水，將食物放入罐子內的小型或中型玻璃罐（帶蓋）中，然後用匹配尺寸的鍋蓋蓋住罐子（沒有塑料）或鋁箔，這將利用雙鍋爐效應，並且不會使您的食物中毒，這是最容易回收/可重複使用的設計。
在蛋彩畫罐內使用梅森罐。
蛋彩畫罐，附罐蓋。
- 帶有蓋子和吊鉤的黑色不銹鋼或鑄鐵烹飪鍋也很合適。鍋子上不能有塑膠。
暫停
使用炊具時，懸掛機構將食物從上方固定在焦點上方。我們想要一個懸掛機制，可以是：
- 輕鬆調節
- 輕的
- 強的
- 在風中以及狗、兒童等周圍保持穩定
- 容易製作
我們使用了由竹子和自行車內胎製成的三腳架，並配有 1/2 英寸寬的鏈條用於懸掛。竹子除了是迷人的有機體之外，也是永續發展的首選建築材料。
有趣的數學東西
- 在數學中，拋物線是笛卡爾平面上的圖形 (y=x²) 的圓錐曲線。如果該二維圖像繞著 y 軸“旋轉”，則所得形狀將是拋物面，即該炊具使用的形狀。拋物線和拋物面都具有將能量波集中到稱為焦點的單點的作用。自然界中有許多拋物線的例子。
- 深聚焦拋物線是將焦點包含在形狀內的拋物線。淺焦點拋物線將焦點投射到形狀之外。因此，深聚焦拋物線炊具比淺聚焦拋物線炊具安全得多，因為它們不會將燃燒光球投射到邊緣平面之外並意外燒傷物體或人。
- 我強烈建議您查看此網頁，以幫助形象化這個概念，並了解傳入的能量射線如何聚焦到拋物線圖上的一點。請注意，如果將係數“a”減小到超過某點，焦點就會投射到拋物線之外。對於拋物線方程式 y=ax 2，如果「a」設定為3，則焦點將出現在漸近線拋物線的「臂」處。減少“a”超過該值，焦點將位於拋物線之外。我們使用的 Papasan 椅子在邊緣平面內有一個拋物線焦點，其圖形估計為 y=.37x 2
計算
- 在典型的陽光充足的一天，通常估計面向太陽的平坦表面每平方米將接收 1000 瓦的功率。
椅子直徑約 4.2 英尺，深 18 英吋。拋物線暴露的陽光量受到孔徑橫截面積的限制。
方程式模型
- 橫斷面面積（公尺）*（1000 瓦 * 平方公尺-1）* 陽極氧化鋁的反射係數 = 晴天每台 Papasan 太陽灶的瓦數。
脆脆的數字
- Pi*r 2 =圓的面積（m 2）
- 141*0.70104m 2 = 1.53m 2
- 圓面積（m 2 * 1000 瓦/m 2 = 理想功率輸出（W））（m 2抵銷）
- 53 m 2 * 1000 W/m 2 = 1530W
- 理想功率輸出（W） * 陽極氧化鋁的反射係數 = 實際調整的功率輸出（W）
1530瓦*.95=1453瓦
這意味著 Papasan 椅子太陽能炊具在陽光充足的情況下可以利用超過 1450W 的功率 - 不算太差！
未考慮到的因素——
- 烹飪鍋對炊具的陰影（差異不大）
- 透過不精確聚焦的面造成能量損失
- 來自划痕/髒面的光擴散（Bart 估計該項目的反射率接近 90%）
執行
由於我們在建造該專案時就進行了設計，因此我們的時間框架約為數週和數月，但一旦獲得所有材料，該專案可以在一到兩天內完成。
為了實施這個項目，您將需要：
- 一張帕帕桑椅
- 一張陽極氧化鋁（約 4' x 8'）
- 使用等離子切割機或貝弗利剪
- 幾英尺的麻線
- 帶有 1/8" 鑽頭和一個 1/4" 鑽頭的電鑽
- 3 根竹竿 8'x1"
- 7 英尺 1/2 英吋寬金屬鏈
- 2-3 條二手自行車內胎
- 1 個 2" 長 1/4" 寬螺栓，附螺母
- 1/4" 棘輪頭
- 一根筷子
- 一張紙，黑色
不包括食品盛放裝置的材料，因為有多種選擇。要查看這些內容，請按一下此處。
反射鏡
- 要從陽極氧化鋁板上切割反射器，您需要先測量椅子從中心點到邊緣的半徑。重要的是，半徑的測量包括椅子曲線的 3 維性。使用此測量方法製作三角形，其中 2 條邊的長度為半徑加 1 英寸，第 3 條邊的長度約為 8 英寸。
您可能需要測量三角形的第三邊 (8") 沿著椅子的圓週適合多少次，以了解要切割多少個面。由於人們將坐在椅子上，請注意將任何邊倒圓將鋒利的邊緣打磨成曲線，並打磨任何毛邊。
- 切割完畢後，輕輕彎曲它們以適應椅子框架的彎曲形狀。鋁一旦彎曲就會保持這種形狀。首先練習彎曲其中一個，看看它的易碎程度如何，然後再彎曲其餘的。
- 現在是使用鑽頭的時候了。從每個刻面 8 英寸長度的兩側角向下測量約 1/2 英寸，然後鑽一個 1/8 英寸的孔。
- 將所有小面堆疊在一起，並在為螺栓製作的端件上做一個標記。讓某人用穩定的手按下刻面，這樣它們就不會滑動，並用 1/4" 鑽頭鑽穿刻面。由於鋁的柔軟性，這比您想像的要容易。滑動將螺栓穿過並擰緊，使各面像一把扇子。
- 使用 1/4 英吋鑽頭，在椅子中間墊子下方的圓形木頭上鑽一個小凹陷，以便刻面可以位於椅子的中心。
- 現在是時候展開這些面並用麻線將它們綁在椅子的外緣上。在將它們綁緊之前，請確保它們已彎曲到椅子的形狀，以便稍後獲得準確的拋物線聚焦。
注意：建議在每個鏡子長度的 2/3 處鑽一個額外的孔，對應於鏡框位於鏡框下方的位置，以便鏡子可以靠近鏡框綁緊。這可以促進更緊密的聚焦。然而，我們使用的椅子並不是完美的拋物線，事實證明，沒有額外的繫帶可以更好地聚焦。
暫停
該項目的這一部分非常簡單。
- 將 3 根桿子放在地上，使它們彼此平行放置。將鏈條展開，使其與桿平行，並在桿的一端多出幾英寸。在這一端，將桿子綁在一起，使鏈條位於所有 3 個桿子的中間。
- 切割自行車內胎，使圓圈打開。現在您可以用它來綁紮。
- 您可能需要第三隻手握住桿子，鏈條位於中間，同時將管子繞在桿子上一次，距離桿子末端約 6 英吋。將包裹物係緊，然後將管子的其餘部分緊緊地包裹在桿子上，並用盒子將其係緊，以免其散開。
- 將支柱立起，紮帶組件朝上。深吸一口氣，將其展開到剛剛創建的三腳架中！確保鏈條能夠支撐良好拖船的重量而不會打滑。如果它看起來不強，請採取額外措施以確保它是強的。請記住，這將盛開水！
以瞄準裝置測試焦點
- 現在你的炊具已經安裝好了，在下一個陽光明媚的日子，把它帶到外面。觀察面板閃閃發光。如此閃亮...
現在，看看各個方面；它們靠近框架嗎？它看起來是拋物線嗎？鏡子乾淨嗎？如果刻面漂浮在框架上方並且看起來不均勻，您可能需要嘗試上面「反射器」部分中提到的額外繫帶技術。這將有助於更好地集中註意力。如果鏡子髒了，請嘗試在抹布上使用少量 citra-solv 天然溶劑和水來清潔它們。
- 將筷子插入棘輪通常所在一端的棘輪頭來製作瞄準裝置。將其插入刻面中心的螺帽上。這樣就創造了一個日晷。現在，您將能夠辨別炊具何時面向太陽，因為筷子不會投射任何陰影。
注意筷子投射的陰影。這意味著炊具沒有正確瞄準。
現在它以太陽為中心，棍子不再投下陰影。
（注意——如果你的筷子著火了，它可能是瞄準的。）
當它瞄準並且鏡子形狀良好時，直徑約 6 英寸的集中光球應出現在邊緣平面下方幾英寸處。戴上防紫外線太陽眼鏡，將手放在中心進行測試，直到找到熱點。當你認為你的盤子聚焦得很好時，嘗試將一張黑紙捲成圓柱體並將其漂浮在熱點中。它應該在 30 秒內開始冒煙並著火。如果沒有，請確保您的鏡子乾淨並且焦點清晰。紙的燃燒溫度為 451 華氏度，因此如果您的炊具可以點燃紙，它可以燒水、煎炸和烹飪。換句話說，它通過了測試。
透過嘗試燃燒黑紙來測試焦點。有煙...
著火了！
現在你可以做飯了！您的專案應該類似於這張照片：
烹飪注意事項
- 太陽能烹飪是一門藝術。它需要與元素的合作。
如果陽光明媚且沒有雲層或薄霧，這並不比在爐子上做飯花費的時間更長。根據菜餚的大小，它可能比爐子花費的時間少得多。
- 如果當您將椅子對準太陽時，椅子沒有保持其位置，有一個解決方案。可以使用額外的內管將椅子的邊緣綁在一根竹竿上。這將改變焦點更靠近該桿的位置，並可能需要調整其他桿以使吊盆位於焦點處。根據我的經驗，這是太陽能烹飪中最具挑戰性的部分，但經過幾次練習後，它就會變得容易。
- 拋物面太陽灶需要進行調整，以適應太陽大約每 15 分鐘在天空中移動一次的情況。
- 除了對您的設置的穩定性構成威脅之外，風還有可能大大降低烹飪鍋的溫度。如果這是一個問題，請嘗試為您的烹飪鍋找到一個防風區域或使用死氣空間設計，例如提到的 HotPot [3]。
安全
- 與任何類型的集中能量一樣，這有可能是危險的，必須受到尊重。太陽灶很容易達到 450 華氏度以上的溫度。必須小心兒童和動物，尤其是當熱食或液體懸掛在三腳架上時。
- 如果無人看管太陽能炊具在陽光下曝曬，則有可能引發火災。在這個項目中，這種情況很容易避免，只需在不使用炊具時放上墊子即可。
- 烹飪/測試/調整炊具時，請務必使用具有防紫外線功能的太陽眼鏡！集中的陽光對眼睛的傷害甚至比普通的太陽光還要大……而如果你戴著只能阻擋可見光的廉價太陽眼鏡，那麼當你盯著看不到的集中的紫外線輻射時，你會比平時更舒服。這種輻射對眼睛的傷害比可見光更大。防紫外線！
成本
| 數量 | 材料 | 來源 | 成本（美元） | 總計（美元） |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 麻線球 | G街解決方案 | 3.50 美元 | 3.50 美元 |
| 3 | 3 根尺寸為 8' x 1' 的竹竿 | 瘋狂河花園供應 | 1.50 美元 | 4.50 美元 |
| 1 | 小容器 Citra-Solv 天然除油劑 | 合作社 | 3.40 美元 | 3.40 美元 |
| 4' | 鏈條長度 | 王牌五金 | 1 美元/英尺 | 4.00 美元 |
| 1 | 1" 長 5/16 螺栓/螺母 | 太陽能架中心 | 捐贈 | 自由的 |
| 1 | 二手腳踏車內胎 | 朋友 | 打撈上來 | 自由的 |
| 1 | 鍋蓋 | 我的房子 | 借來的 | 自由的 |
| 1 | 加侖大小的錫罐 | 歡樂綠巨人自助餐廳 | 捐贈 | 自由的 |
| 1盎司 | 黑色蛋彩畫 | 恆生兒童發展中心 | 捐贈 | 自由的 |
| 1 | 陽極氧化鋁反射器套裝 | 巴特·奧蘭多 | 捐贈 | 自由的 |
| 1 | 帕帕桑椅 | 克雷格列表 | 捐贈 | 自由的 |
| 1 | 鉗子 | 室友 | 借來的 | 自由的 |
| 1 | 電鑽 | 室友 | 借來的 | 自由的 |
| 總成本 | 15.40 美元 | |||
討論
- Bamboo + 自行車管是一款很棒的可調式三腳架。 Bart 提到，如果我們使用 2" X 10' 或更大的桿子，三腳架也可以用作球座。
- 我們使用的椅子不是完美的拋物線。這意味著焦點區域更像是圓柱體而不是球體，但這可能因椅子而異。可以繪製拋物線，然後將圖形疊加在椅子的照片上，看看它們是否對齊。然而，人們必須猜測拋物線的係數。然而，無論如何，這個專案還是成功的，因為集中器變得足夠熱，可以用來烹飪。
- 由於阿卡塔生活有霧/多雲，測試機會受到限制，太陽能技術總體上變得更具挑戰性。不過，我並不認為這是一件壞事！也許這意味著太陽能在這裡的實際用途不太現實，但這也意味著我們必須改進技術以獲得更好的結果。
- 實際上，烹飪需要一些時間來完善，並且本身就是一門藝術，但最終它非常值得付出努力。
這符合標準嗎？
是的，也不是，但大多數情況下是的。麻、藤、錫罐、竹子、廢棄的腳踏車內胎——都在我的腦海裡超級適合。這些都是可持續的、可挽救的或重複使用的。然後是用高功率工業機械製造的陽極氧化鋁合金板。這樣合適嗎？絕對嗎？不。是的，我認為是的，這是適當的，因為這是朝著「自己動手做」低影響生活方向邁出的明確一步。
時間——按時完成
預算 – 是的，總成本為 15 美元。我很幸運，得到了捐贈的椅子和金屬板。如果購買一把二手 Papasan 椅子和一塊可以免費切割的二手金屬，則最多要多花費 50 美元。還是比較便宜的。
耐用性——是的。應該持續至少5年。
便攜性 - 是的。一兩個人可以輕鬆短距離攜帶，可以透過自行車拖車或汽車運輸。
設計 - 是的。有用。隨著時間的推移，可以進行一些精煉。
協同/整合 - 是的。非常適合用作椅子和炊具。
嵌入能量水平 - 大部分是的。使用了金屬板，但它是一種潛在的可回收材料。等離子切割機使用大量能量，但不需要太多等離子切割。
易於使用 - 是的。知道自己在做什麼的人可以在不到一個小時的時間內向人們傳授基礎知識。一些烹飪課程的學習曲線。
圖片庫
椅子鏡框預鏡
椅子當椅子用
椅子當炊具用
椅子綁在竹子上以減少陽光照射
從側面看低日照模式
使用麻線將鏡子綁在框架上
在蛋彩畫罐內使用梅森罐
蛋彩畫罐附鍋蓋
用於將所有鏡面連接在一起的螺栓
竹竿中間有鏈條，綁有內管
試圖燒黑紙。抽煙...
火！
顯示陰影的瞄準裝置
無陰影瞄準裝置
