家用仿貝殼原理的太陽能聚光集熱裝置

本期點(diǎn)評專家

譚迪熬 ?中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學(xué)創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

一、提出課題

太陽能應(yīng)用廣泛，主要體現(xiàn)在利用太陽能發(fā)電、采暖和集熱等。在我國，太陽能熱水供給體系已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是，在室內(nèi)利用太陽能烹飪還是一片空白。能否將太陽能引入廚房，滿足日常烹飪需求？我決定設(shè)計家用仿貝殼原理的太陽能聚光集熱裝置。

二、設(shè)計思路

仿照貝殼的設(shè)計，利用反光膜將太陽光匯集在真空集熱管的一面，讓高溫將真空集熱管里的水燒至蒸汽狀態(tài)，并用乳膠管將蒸汽引到室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)利用太陽能燒水、煮飯、炒菜、取暖等。同時，利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動太陽能自動跟蹤器，使反射體在上、下、左、右等方向自動對光，提高太陽光的匯聚效率和太陽能的利用率。

三、作品結(jié)構(gòu)

家用仿貝殼原理的太陽能聚光集熱裝置由聚光集熱系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)四部分構(gòu)成。

（一）聚光集熱系統(tǒng)

1.集熱系統(tǒng)

集熱系統(tǒng)的功能是吸收太陽光能量，將工質(zhì)加熱，使之達(dá)到工作溫度。它的核心部件是全玻璃真空集熱管，這種集熱管加熱快、太陽能吸收率高。

全玻璃真空集熱管由特硬高硼硅玻璃制成，有內(nèi)外兩層玻璃，中間夾層為真空層。內(nèi)層玻璃涂有太陽選擇性吸收涂層——濺射漸變鋁-氮/鋁，真空層保溫效果好。

蒸汽發(fā)生器由聚熱體、進(jìn)水管通道、蒸汽管道等構(gòu)成。

2.聚光系統(tǒng)

聚光系統(tǒng)仿貝殼的外形設(shè)計，具有防風(fēng)、防塵、自潔功能。同時它仿照貝殼的動作——一張一合，可實(shí)現(xiàn)自動開合。

我將拋物面反射鏡設(shè)計成槽形，并仿照貝殼的外形，用兩個側(cè)翼固定拋物面。

（二）跟蹤系統(tǒng)

我選用雙軸太陽能自動跟蹤器，以光電跟蹤方式對太陽的方位角、高度角等進(jìn)行全天候的跟蹤。

雙軸太陽能自動跟蹤器追蹤精度高，平均追蹤精度小于等于1度，具有自動控制功能，可以完成有效日照時間的太陽全程自動跟蹤，且在多云和陰天能夠模糊跟蹤。一天跟蹤完成后，會自動回到初始設(shè)定位置。

（三）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由位移測量組件、位移控制組件和陽光跟蹤組件構(gòu)成。它的作用是“感知”太陽方位變化情況，并把這些情況以信號傳遞給跟蹤系統(tǒng)。跟蹤系統(tǒng)接收到信號后做出跟蹤反應(yīng)。

（四）支撐系統(tǒng)

支撐系統(tǒng)的作用是連接、支撐集熱系統(tǒng)、聚光系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，使跟蹤系統(tǒng)適應(yīng)太陽方位角和高度角的變化。

支撐系統(tǒng)的部件相當(dāng)多，從上到下依次為真空集熱管支架、貝殼開合部件、貝殼形聚光體、U形鉸鏈座、調(diào)高機(jī)構(gòu)等。

四、制作樣機(jī)

在購買水平旋轉(zhuǎn)平臺、雙軸太陽能自動跟蹤器、電動推桿、不銹鋼牙條等器件，并自制貝殼形聚光體后，我按照作品結(jié)構(gòu)圖組裝器件，然后利用Mixly編程軟件編寫控制程序。

五、樣機(jī)測試

完成樣機(jī)制作后，我對樣機(jī)功能進(jìn)行了測試。貝殼形聚光體能夠自由開合，張開幅度為0～180°，可以水平、垂直兩個方向調(diào)整聚光體工作狀態(tài)。樣機(jī)能自動跟蹤太陽，在無陽光、風(fēng)力過大時能自動收縮保護(hù)裝置。它還能聚集太陽光，焦點(diǎn)溫度可達(dá) 130 ℃～400 ℃，可提供高溫、高壓蒸汽，滿足家庭對熱能的需求。

不足的是：太陽能電池板發(fā)電量小，不能滿足裝置工作需求；工作時電機(jī)噪聲過大；水平旋轉(zhuǎn)平臺動力不足。今后，我會從這幾個方面對作品進(jìn)行改進(jìn)，一是增大太陽能電池板的面積，二是給電機(jī)加裝降噪裝置，三是將水平旋轉(zhuǎn)平臺由滑動摩擦改為齒輪傳動，增大齒輪傳動比。

六、創(chuàng)新點(diǎn)

家用仿貝殼原理的太陽能聚光集熱裝置能根據(jù)外界情況自由開合，達(dá)到防風(fēng)、防塵、聚集太陽光的目的，高效獲取太陽能。

裝置通過聚集太陽能提高單位能量密度，以水為介質(zhì)將其轉(zhuǎn)化為高能的蒸汽，然后通過管道將蒸汽輸送到室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)蒸飯、蒸菜、熱水、取暖等功能，擺脫現(xiàn)有太陽能灶需要在陽光下操作的困境。（指導(dǎo)老師：張才友）

專家點(diǎn)評

張晗同學(xué)的家用仿貝殼原理的太陽能聚光集熱裝置是一件拓展性的發(fā)明作品。這個作品的完成，主要體現(xiàn)：其一，張晗同學(xué)具有良好的創(chuàng)新意識，即發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和欲創(chuàng)新性解決問題的心理傾向等。據(jù)悉，有一次她和爸爸、媽媽、弟弟一起去郊外野炊，體驗(yàn)田野生活。媽媽特意從網(wǎng)上買了一臺太陽能燒烤爐?？粗陉柟庀旅Φ脻M頭大汗的媽媽，張晗說：“媽媽，在樹下陰涼處燒烤不涼快些嗎？！”媽媽笑笑說：“太陽能燒烤爐需要在陽光下才能將食物烤熟呀?！边@次郊外野炊給張晗留下了深刻的印象，她心想：太陽能燒烤爐能將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，要是能將清潔能源引入廚房該多好啊。隨后，她在科技輔導(dǎo)老師的肯定和支持下，開始了這一項(xiàng)目的探究。其二，張晗同學(xué)具有良好的知識、技術(shù)學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力。

需要提醒大家的是：這種難度較大的項(xiàng)目，只有支持與輔導(dǎo)條件完全具備時我們才能進(jìn)行探索。如果條件不具備，可選擇容易完成的項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)自我的創(chuàng)新成長。