家用仿貝殼原理的太陽能聚光集熱裝置

◎湖南省常德芷蘭實驗學校 張晗

一、提出課題

太陽能應用廣泛，主要體現在利用太陽能發電、采暖和集熱等。在我國，太陽能熱水供給體系已經相當成熟。但是，在室內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？我決定設計家用仿貝殼原理的太陽能聚光集熱裝置。

二、設計思路

仿照貝殼的設計，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，并用乳膠管將蒸汽引到室內，實現在室內利用太陽能燒水、煮飯、炒菜、取暖等。同時，利用太陽能電池板將太陽能轉化為電能，驅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。

圖1 工作流程圖

三、作品結構

家用仿貝殼原理的太陽能聚光集熱裝置由聚光集熱系統、跟蹤系統、控制系統和支撐系統四部分構成。

（一）聚光集熱系統

1.集熱系統

集熱系統的功能是吸收太陽光能量，將工質加熱，使之達到工作溫度。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，有內外兩層玻璃，中間夾層為真空層。內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。

蒸汽發生器由聚熱體、進水管通道、蒸汽管道等構成。

圖2 蒸汽發生器

2.聚光系統

聚光系統仿貝殼的外形設計，具有防風、防塵、自潔功能。同時它仿照貝殼的動作——一張一合，可實現自動開合。

我將拋物面反射鏡設計成槽形，并仿照貝殼的外形，用兩個側翼固定拋物面。

（二）跟蹤系統

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，會自動回到初始設定位置。

（三）控制系統

控制系統由位移測量組件、位移控制組件和陽光跟蹤組件構成。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。跟蹤系統接收到信號后做出跟蹤反應。

（四）支撐系統

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

支撐系統的部件相當多，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、調高機構等。

四、制作樣機

在購買水平旋轉平臺、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，我按照作品結構圖組裝器件，然后利用Mixly編程軟件編寫控制程序。

圖3 作品結構側視圖（左）和正視圖（右）

圖4 固定真空集熱管

圖5 編寫控制程序

五、樣機測試

圖6 樣機

完成樣機制作后，我對樣機功能進行了測試。貝殼形聚光體能夠自由開合，張開幅度為0～180°，可以水平、垂直兩個方向調整聚光體工作狀態。樣機能自動跟蹤太陽，在無陽光、風力過大時能自動收縮保護裝置。它還能聚集太陽光，焦點溫度可達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：太陽能電池板發電量小，不能滿足裝置工作需求；工作時電機噪聲過大；水平旋轉平臺動力不足。今后，我會從這幾個方面對作品進行改進，一是增大太陽能電池板的面積，二是給電機加裝降噪裝置，三是將水平旋轉平臺由滑動摩擦改為齒輪傳動，增大齒輪傳動比。

六、創新點

家用仿貝殼原理的太陽能聚光集熱裝置能根據外界情況自由開合，達到防風、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，以水為介質將其轉化為高能的蒸汽，然后通過管道將蒸汽輸送到室內，實現蒸飯、蒸菜、熱水、取暖等功能，擺脫現有太陽能灶需要在陽光下操作的困境。

專家點評

張晗同學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明作品。這個作品的完成，主要體現：其一，張晗同學具有良好的創新意識，即發現問題、提出問題和欲創新性解決問題的心理傾向等。據悉，有一次她和爸爸、媽媽、弟弟一起去郊外野炊，體驗田野生活。媽媽特意從網上買了一臺太陽能燒烤爐。看著在陽光下忙得滿頭大汗的媽媽，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。”這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，她在科技輔導老師的肯定和支持下，開始了這一項目的探究。其二，張晗同學具有良好的知識、技術學習與應用能力。

需要提醒大家的是：這種難度較大的項目，只有支持與輔導條件完全具備時我們才能進行探索。如果條件不具備，可選擇容易完成的項目，以實現自我的創新成長。