Φτιάχνω ηλιακό φούρνο

Ο ηλιακός φούρνος της Maria Telkes
Ο περιγραφόμενος ηλιακός φούρνος σχεδιάστηκε από την dr. Maria Telkes περίπου το 1950.Αυτός ο φούρνος εύκολα πιάνει τους 300 R βαθμούς και θα άγγιζε ακόμα και τους 400 R σε ζεστές καλοκαιρινές μέρες. Δεν είναι απαραίτητο να τον προσανατολίζετε συνεχώς καθώς ο φούρνος είναι αρκετά αποδοτικός που δουλεύει ακόμη και όταν δεν στοχεύει ακριβώς τον ήλιο.
Προτείνεται η κατασκευή τέτοιων φούρνων σε σχετικά μεγάλη κλίμακα γιατί η ηλιακή ενέργεια είναι διάχυτη. Χρειάζεται έναν αρκετά μεγάλο ανακλαστήρα και μια μεγάλη γυάλινη επιφάνεια (για το γυάλινο καπάκι ) για να αναπτυχθούν θερμοκρασίες ικανές για εύκολο μαγείρεμα. ( Ο φούρνος στα παρακάτω σχέδια εχει γυάλινο καπάκι επιφάνειας 24” x 26” (61cm x 67cm). Παρακάτω θα δώσουμε οδηγίες για το πώς να προσαρμόσετε το μέγεθος και τον σχεδιασμό αναλόγως το γεωγραφικό πλάτος στο οποίο βρίσκεστε.)Αυτός ο ηλιακός φούρνος αποδίδει καλά γιατί συνδυάζει μερικά σημαντικά σχεδιαστικά κριτήρια:

Το κουτί του (χώρος μαγειρέματος) περιβάλλεται από ανακλαστήρες, οι οποίοι κατευθύνουν το ορατό φώς στο εσωτερικό του, διαμέσου ενός γυάλινου καλύμματος (γυάλινο καπάκι). (Σε μια ηλιόλουστη μέρα κάθε τετραγωνικό πόδι ( 33cm x 33cm) γης δέχεται περίπου 200-300 btu ενέργειας την ώρα. Ένα btu είναι η ποσότητα ενέργειας που χρειάζεται για να ανεβεί η θερμοκρασία σε 0,454 κιλά (1 pound) νερού κατά έναμιση βαθμό περίπου από 3.8°C σε 4.4°C)

Το κουτί είναι καλά μονωμένο και σχετικά αεροστεγές

Η γυάλινη επιφάνεια είναι σε γωνια 60ο μειώνοντας την περίπτωση σκίασης. Διπλά φύλλα τζαμιού είναι σαφώς καλύτερα καθώς ο αέρας μεταξύ τους βοηθάει στην μόνωση του κελύφους.

Το κέλυφος είναι εσωτερικά ντυμένο με μεταλλικό φύλλο και βαμμένο εντελώς μαύρο έτσι ώστε το ορατό φως να απορροφάται ικανοποιητικά και να μετατρέπεται σε υπέρυθρη ενέργεια και θερμότητα. Η υπέρυθρη ενέργεια απορροφάται από το τζάμι και η διαφυγή της επιβραδύνεται από την μόνωση στα εσωτερικά τοιχώματα ώστε η θερμότητα να χάνεται αργά και η εσωτερική θερμοκρασία να αυξάνει.

Το σκέυος τοποθετείται πάνω στο μεταλλικό δάπεδο της κατασκευής και έτσι η θερμότητα μεταφέρεται σε αυτό επαγωγικά από την επαφή αλλά και με την διάδοση από τον ζεστό αέρα.

Πώς να σχεδιάσεις ένα ενεργειακό ηλιακό φούρνο
Ακολουθεί ένας απλός αλλά και αποτελεσματικός τρόπος για να σχεδιάσεις ένα ηλιακό φούρνο:

Σκέψου για τί μαγείρεμα (τι θα μαγειρεύεις) θα τον χρησιμοποιείς συνήθως

Σκέψου πόσο γρήγορα χρείαζεται να μαγειρευτεί το φαγητό σου

Σκέψου πόσα btu χρειάζεσαι για να μαγειρέψεις. (Σαν χονδρικό κανόνα υπολόγισε ότι χρείαζεσαι περίπου 150 btu ανα ώρα και ανα μισόκιλο φαγητού για να ετοιμαστεί το φαγητό σε λογικό χρονικό διάστημα)

Αναλόγως το γεωγραφικό πλάτος που βρίσκεσαι ο φούρνος θα δέχεται περίπου 200 – 300 btu ανά τετραγωνικό πόδι (33εκ x 33εκ) ανά ώρα. Μόνο το 30% περίπου της ενέργειας αυτής στην πραγματικότητα θα μαγειρέψει το φαγητό.
Οπότε διαστασιολόγηστε την κατασκευή σας αντίστοιχα. Για παράδειγμα : ένας φούρνος με συνολική επιφάνεια εισερχόμενου ηλιακού φωτός 10 τετρ. ποδιών (περίπου 1m2) δέχεται περίπου 2.000 btu κάθε ώρα, έχει απόδοση περίπου 30% και έτσι μόνο 660 btu στην πραγματικότητα θα «μαγειρέψουν». Τα 660 btu διά 150 ισούται με 4,4 , άρα περίπου 2,2 κιλά φαγητού ( συμπεριλαμβανομένου του νερού ) μπορούν να μαγειρευτούν εύκολα σε μία ώρα. Για να πετύχετε αυτό το αποτέλεσμα σιγουρευτείτε ότι:Τα παραπάνω σχέδια δείχνουν τις διαστάσεις των κομματιών που αποτελούν το κέλυφος (φούρνο)

Η προσπίπτουσα ακτινοβολία είναι όσο το δυνατό πιο κάθετα στην επιφάνεια του τζαμιού. Αν στοχέυετε κατευθείαν στον ήλιο θα μεγιστοποιήσετε την απόδοση των κατόπτρων (ανακλαστήρων).Η μεγαλύτερη ποσότητα φωτός θα οδηγηθεί στο εσωτερικό του φούρνου. Για αυτό λάβετε υπόψη αν η ανάγκη μαγειρέματος είναι μεγαλύτερη του καλοκαιρινούς ή τους χειμερινούς μήνες.
Για να υπολογίσετε την γωνία του ήλιου σε σχέση με τον ορίζοντα αφαιρέστε το γεωγραφικό πλάτος από το 90. Προσθέστε 23,5 και θα βρείτε την υψηλότερη θέση του ήλιου το καλοκαίρι. Αφαιρώντας 23,5 θα βρείτε την κατώτερη θέση του ήλιου τον χειμώνα.
Για παράδειγμα, δεδομένου γεωγραφικού πλάτους 44 μοίρες βόρεια, το υψηλότερο σημείο της τροχιάς του ήλιου το καλοκαίρι θα είναι στις 69,5 μοίρες από τον ορίζοντα και το χαμηλέτρο σημείο τον χειμώνα στις 22,5 μοίρες. Αν λοιπέν το μαγείρεμα στον φούρνο γίνεται κυρίως το καλοκαίρι καλό είναι το τζαμι του φούρνου να έχει κλίση περίπου 60 μοιρών.

Οι ανακλαστήρες βρίσκονται υπό γωνία 120 μοιρών σε σχέση με το τζάμι του φούρνου δηλαδή σε γωνία 30 μοιρών προς τις προσπίπτουσες ηλιακές ακτίνες. Θα πρέπει να έχουν τόσο μήκος όσο η γυάλινη επιφάνεια, καθώς αν είναι μεγαλύτεροι, θα κατευθύνουν το φώς στον απέναντι ανακλαστήρα.

Κατασκευάστε το κέλυφος καλά μονωμένο , όσο το δυνατό πιο αεροστεγές και αν υπάρχει η οικονομική δυνατότητα χρησιμοποιείστε διπλό τζάμι. Αυτό είναι ιδιαίτερα απαραίτητο όταν βρίσκεστε σε ψυχρά κλίματα με πολλούς ανέμους. Μόνωση από χαρτόνι και αλουμινόχαρτο είναι ικανοποιητική. Καλές μονώσεις είναι ακόμη η στάχτη, το κάρβουνο, φελιζόλ, κλπ.

Βάψτε το εσωτερικό μαύρο. Χρησιμοποιήστε ένα μάυρο ή σκούρο σκέυος μαγειρέματος κατευθείαν πάνω στον πάτο του φούρνου για να έχετε μεταφορά θερμότητας και από επαγωγή αλλά και διάδοση . (Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε και γυαλιστερές εσωτερικές επιφάνειες που θα κατευθύνουν τις ακτίνες πάνω στο μαύρο σκεύος, θα κατευθύνουν όμως και κάποιες εκτός).

Καθώς ο ζεστός αέρας ανυψώνεται το καλύτερο, θεωρητικά , μέρος για την πόρτα του φούρνου θα ήταν από κάτω, πράγμα λίγο δύσκολο. Μια καλή λύση είναι στο πίσω μέρος της κατασκευής.

Να θυμάστε ότι θερμότητα και θερμοκρασία είναι δύο διαφορετικά μεγέθη. Η θερμότητα είναι η ποσότητα της ενέργειας διαθέσιμη για το μαγείρεμα . Η εσωτερική θερμοκρασία είναι οι βαθμοί στους οποίους η ποσότητα θερμότητας που κερδίζουμε, με αυτή που χάνεται είναι σε ισορροπία. Είναι σημαντικό να υπάρχει αρκετά υψηλή θερμοκρασία και αρκετή θερμότητα για γίνει το μαγείρεμα.

Η επιφάνεια την οποία πολλαπλασιάζουμε με 200 έως 300 btu ανά ώρα δεν είναι αυτή των ανακλαστήρων. Είναι η ικανή επιφάνεια της συλλεγόμενης ακτινοβολίας (διάγραμμα Α).

Τα ακόλουθα σχεδιαγράμματα δείχνουν πώς να κατασκευάσετε έναν μέτριο προς μεγάλο φούρνο Telkes. Ο συγκεκριμένος είναι φτιαγμένος από μοριοσανίδα ή μεταλλικά φύλλα. Να θυμάστε ότι όσο μεγαλύτερη η μάζα των υλικών τόσο μεγαλύτερη θερμότητα θα απορροφούν, η οποία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στο μαγείρεμα. Ένας φούρνος μικρότερης μάζας θα θερμανθεί πολύ γρηγορότερα. Είναι επίσης δυνατό να κατασκευάσετε το κέλυφος του φούρνου από σκραπ, όπως μεταλλικά δοχεία.Πώς να κατασκευάσετε τον ηλιακό φούρνο από μοριοσανίδαΞεκινήστε από το κέλυφος. Στην εξεταζόμενη περίπτωση χρησιμοποείται μοριοσανιδα ½ ίντσας (12χιλ) . Κόψτε όλα τα κομμάτια όπως δείχνουν τα σχεδιαγράμματα. Μπιζουτάρετε τις ακμές που ακουμπά το τζάμι σε γωνία 30ο. Κόψτε την πόρτα στο πίσω μέρος ή στα πλαινά. Σε καθε ακμή τοποθετούμε κόλλα και τις καρφώνουμε.Να θυμάστε ότι πρέπει να μπιζουτάρετε την μπροστινή και πίσω μόνωση . Επικαλύψτε την μόνωση με αλουμινόχαρτο με την γυαλιστερή του επιφάνεια πρός το εσωτερικό του φούρνου. Προσέξτε να το εφαρμόσετε πάνω στο χαρτόνι οσο γίνεται καλύτερα προκειμένου να αποφύγετε την διαφυγή υγρασίας προς το χαρτόνι. Βάψτε τώρα όλο το εσωτερικό με μαύρο ματ υδρόχρωμα. Αφήστε τον φούρνο στον ήλιο για κανά δυο μέρες ώστε να «καούν» τυχόν αέρια από την μπογιά πριν τον χρησιμοποιήσετε.Τα φτερά των ανακλαστήρων που στην περίπτωση μας είναι από κοντραπλακέ ½ ίντσας πρέπει να στηρίζονται με κάποιου είδους στηρίγματα. Το εσωτερικό των ανακλαστήρων πρέπει να είναι καλυμμένο από αλουμινόχαρτο ή παρόμοιο υλικό.
Το κέλυφος λειτουργεί καλύτερα καλυμμένο με δύο φύλλα γυαλιού και ένα όμως θα κάνει την δουλειά μας. Κολλήστε το τζάμι χρησιμοποιώντας ένα σφραγιστικό όπως σιλικόνη. Η σιλικόνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως αποστάτης μεταξύ των δύο φύλλων γυαλιού.Αφήστε ένα μόνο πολύ μικρό κενό ώστε να μπορεί να διαφύγει ο ζεστός αέρας και να μην δημιουργηθεί υψηλή πίεση μεταξύ των τζαμιών.Θυμηθείτε ότι το μαύρο σκεύος (όσο το δυνατό μικρότερης μάζας ) θα πρέπει να τοποθετηθεί πάνω σε μια μαύρη κόλλα ψησίματος ή μια μαύρη μεταλλική επιφάνεια. Φροντίστε το πορτάκι να εφαρμόζει καλά για να μην υπάρχουν απώλειες. Ο φούρνος δεν μπορεί να ζεσταθεί όταν υπάρχει μεγάλη διαρροή αέρα.
Ακολουθώντας τα παραπάνω θα επιτύχετε να φτιάξετε έναν φούρνο που θα ανεβάζει θερμοκρασία 150 °C ακόμα και γεμάτος φαγητό. Σε ζεστές μέρες η φασολάδα θα γίνεται γρήγορα , το ψωμί θα ψήνεται και θα ροδίζει, το κοτόπουλο θα γίνεται τραγανό και οι τηγανητές πατάτες θα χάνονται στο λάδι που θα αφρίζει καθώς τηγανίζονται. Τα αποτελέσματα θα σας εντυπωσιάσουν!Θυμηθείτε να μπιζουτάρετε (φαλτσοκόψετε ) το μπρός και πίσω κομμάτι και να κόψετε την πόρτα στο πίσω μέροςΠρώτα το εμπρός και πίσω κομμάτι καρφώνονται στον πάτο και μετά τα πλαινά.Η μόνωση μπορεί να γίνει από χαρτόκουτο και αλουμινόχαρτοΤο χαρτόνι και το αλουμινόχαρτο στερώνονται στο κέλυφος με ροδέλες και βίδες ή καρφιά.
Το τζάμι εφαρμόζεται με σιλικόνη. Αν χρησιμοποιούνται δύο φύλλα τζαμιού τότε ακόμη ένας αρμός σιλικόνης λειτουργεί ώς αποστάτης.
Τα στηρίγματα των ξύλινων ανακλαστήρων καρφώνονται ή βιδώνονται υπό γωνία 120ο σε σχέση με το τζάμιΗλιακός Φούρνος – DIY Solar Oven