家用仿貝殼原理的太陽(yáng)能聚光集熱裝置

◎湖南省常德芷蘭實(shí)驗(yàn)學(xué)校 張晗

一、提出課題

太陽(yáng)能應(yīng)用廣泛，主要體現(xiàn)在利用太陽(yáng)能發(fā)電、采暖和集熱等。在我國(guó)，太陽(yáng)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(yáng)能烹飪還是一片空白。能否將太陽(yáng)能引入廚房，滿足日常烹飪需求？我決定設(shè)計(jì)家用仿貝殼原理的太陽(yáng)能聚光集熱裝置。

二、設(shè)計(jì)思路

仿照貝殼的設(shè)計(jì)，利用反光膜將太陽(yáng)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(yáng)能燒水、煮飯、炒菜、取暖等。同時(shí)，利用太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤器，使反射體在上、下、左、右等方向自動(dòng)對(duì)光，提高太陽(yáng)光的匯聚效率和太陽(yáng)能的利用率。

圖1 工作流程圖

三、作品結(jié)構(gòu)

家用仿貝殼原理的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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。

圖2 蒸汽發(fā)生器

2.聚光系統(tǒng)

聚光系統(tǒng)仿貝殼的外形設(shè)計(jì)，具有防風(fēng)、防塵、自潔功能。同時(shí)它仿照貝殼的動(dòng)作——一張一合，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)合。

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

（二）跟蹤系統(tǒng)

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

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

（三）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由位移測(cè)量組件、位移控制組件和陽(yáng)光跟蹤組件構(gòu)成。它的作用是“感知”太陽(yáng)方位變化情況，并把這些情況以信號(hào)傳遞給跟蹤系統(tǒng)。跟蹤系統(tǒng)接收到信號(hào)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(yáng)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(kāi)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(gòu)買水平旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、雙軸太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤器、電動(dòng)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。

圖3 作品結(jié)構(gòu)側(cè)視圖（左）和正視圖（右）

圖4 固定真空集熱管

圖5 編寫控制程序

五、樣機(jī)測(cè)試

圖6 樣機(jī)

完成樣機(jī)制作后，我對(duì)樣機(jī)功能進(jìn)行了測(cè)試。貝殼形聚光體能夠自由開(kāi)合，張開(kāi)幅度為0～180°，可以水平、垂直兩個(gè)方向調(diào)整聚光體工作狀態(tài)。樣機(jī)能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)，在無(wú)陽(yáng)光、風(fēng)力過(guò)大時(shí)能自動(dòng)收縮保護(hù)裝置。它還能聚集太陽(yáng)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(duì)熱能的需求。

不足的是：太陽(yáng)能電池板發(fā)電量小，不能滿足裝置工作需求；工作時(shí)電機(jī)噪聲過(guò)大；水平旋轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)力不足。今后，我會(huì)從這幾個(gè)方面對(duì)作品進(jìn)行改進(jìn)，一是增大太陽(yáng)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(tái)由滑動(dòng)摩擦改為齒輪傳動(dòng)，增大齒輪傳動(dòng)比。

六、創(chuàng)新點(diǎn)

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

裝置通過(guò)聚集太陽(yáng)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(guò)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(yáng)能灶需要在陽(yáng)光下操作的困境。

專家點(diǎn)評(píng)

張晗同學(xué)的家用仿貝殼原理的太陽(yáng)能聚光集熱裝置是一件拓展性的發(fā)明作品。這個(gè)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(shí)，即發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題和欲創(chuàng)新性解決問(wèn)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(tái)太陽(yáng)能燒烤爐?？粗陉?yáng)光下忙得滿頭大汗的媽媽，張晗說(shuō)：“媽媽，在樹(shù)下陰涼處燒烤不涼快些嗎？！”媽媽笑笑說(shuō)：“太陽(yáng)能燒烤爐需要在陽(yáng)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(yáng)能燒烤爐能將太陽(yáng)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(kāi)始了這一項(xiàng)目的探究。其二，張晗同學(xué)具有良好的知識(shí)、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(shí)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(zhǎng)。