家用仿贝壳原理的太阳能聚光集热装置

◎湖南省常德芷兰实验学校 张晗

一、提出课题

太阳能应用广泛，主要体现在利用太阳能发电、采暖和集热等。在我国，太阳能热水供给体系已经相当成熟。但是，在室内利用太阳能烹饪还是一片空白。能否将太阳能引入厨房，满足日常烹饪需求？我决定设计家用仿贝壳原理的太阳能聚光集热装置。

二、设计思路

仿照贝壳的设计，利用反光膜将太阳光汇集在真空集热管的一面，让高温将真空集热管里的水烧至蒸汽状态，并用乳胶管将蒸汽引到室内，实现在室内利用太阳能烧水、煮饭、炒菜、取暖等。同时，利用太阳能电池板将太阳能转化为电能，驱动太阳能自动跟踪器，使反射体在上、下、左、右等方向自动对光，提高太阳光的汇聚效率和太阳能的利用率。

图1 工作流程图

三、作品结构

家用仿贝壳原理的太阳能聚光集热装置由聚光集热系统、跟踪系统、控制系统和支撑系统四部分构成。

（一）聚光集热系统

1.集热系统

集热系统的功能是吸收太阳光能量，将工质加热，使之达到工作温度。它的核心部件是全玻璃真空集热管，这种集热管加热快、太阳能吸收率高。

全玻璃真空集热管由特硬高硼硅玻璃制成，有内外两层玻璃，中间夹层为真空层。内层玻璃涂有太阳选择性吸收涂层——溅射渐变铝-氮/铝，真空层保温效果好。

蒸汽发生器由聚热体、进水管通道、蒸汽管道等构成。

图2 蒸汽发生器

2.聚光系统

聚光系统仿贝壳的外形设计，具有防风、防尘、自洁功能。同时它仿照贝壳的动作——一张一合，可实现自动开合。

我将抛物面反射镜设计成槽形，并仿照贝壳的外形，用两个侧翼固定抛物面。

（二）跟踪系统

我选用双轴太阳能自动跟踪器，以光电跟踪方式对太阳的方位角、高度角等进行全天候的跟踪。

双轴太阳能自动跟踪器追踪精度高，平均追踪精度小于等于1度，具有自动控制功能，可以完成有效日照时间的太阳全程自动跟踪，且在多云和阴天能够模糊跟踪。一天跟踪完成后，会自动回到初始设定位置。

（三）控制系统

控制系统由位移测量组件、位移控制组件和阳光跟踪组件构成。它的作用是“感知”太阳方位变化情况，并把这些情况以信号传递给跟踪系统。跟踪系统接收到信号后做出跟踪反应。

（四）支撑系统

支撑系统的作用是连接、支撑集热系统、聚光系统、跟踪系统和控制系统，使跟踪系统适应太阳方位角和高度角的变化。

支撑系统的部件相当多，从上到下依次为真空集热管支架、贝壳开合部件、贝壳形聚光体、U形铰链座、调高机构等。

四、制作样机

在购买水平旋转平台、双轴太阳能自动跟踪器、电动推杆、不锈钢牙条等器件，并自制贝壳形聚光体后，我按照作品结构图组装器件，然后利用Mixly编程软件编写控制程序。

图3 作品结构侧视图（左）和正视图（右）

图4 固定真空集热管

图5 编写控制程序

五、样机测试

图6 样机

完成样机制作后，我对样机功能进行了测试。贝壳形聚光体能够自由开合，张开幅度为0～180°，可以水平、垂直两个方向调整聚光体工作状态。样机能自动跟踪太阳，在无阳光、风力过大时能自动收缩保护装置。它还能聚集太阳光，焦点温度可达130 ℃～400 ℃，可提供高温、高压蒸汽，满足家庭对热能的需求。

不足的是：太阳能电池板发电量小，不能满足装置工作需求；工作时电机噪声过大；水平旋转平台动力不足。今后，我会从这几个方面对作品进行改进，一是增大太阳能电池板的面积，二是给电机加装降噪装置，三是将水平旋转平台由滑动摩擦改为齿轮传动，增大齿轮传动比。

六、创新点

家用仿贝壳原理的太阳能聚光集热装置能根据外界情况自由开合，达到防风、防尘、聚集太阳光的目的，高效获取太阳能。

装置通过聚集太阳能提高单位能量密度，以水为介质将其转化为高能的蒸汽，然后通过管道将蒸汽输送到室内，实现蒸饭、蒸菜、热水、取暖等功能，摆脱现有太阳能灶需要在阳光下操作的困境。

专家点评

张晗同学的家用仿贝壳原理的太阳能聚光集热装置是一件拓展性的发明作品。这个作品的完成，主要体现：其一，张晗同学具有良好的创新意识，即发现问题、提出问题和欲创新性解决问题的心理倾向等。据悉，有一次她和爸爸、妈妈、弟弟一起去郊外野炊，体验田野生活。妈妈特意从网上买了一台太阳能烧烤炉。看着在阳光下忙得满头大汗的妈妈，张晗说：“妈妈，在树下阴凉处烧烤不凉快些吗？！”妈妈笑笑说：“太阳能烧烤炉需要在阳光下才能将食物烤熟呀。”这次郊外野炊给张晗留下了深刻的印象，她心想：太阳能烧烤炉能将太阳能转化为热能，要是能将清洁能源引入厨房该多好啊。随后，她在科技辅导老师的肯定和支持下，开始了这一项目的探究。其二，张晗同学具有良好的知识、技术学习与应用能力。

需要提醒大家的是：这种难度较大的项目，只有支持与辅导条件完全具备时我们才能进行探索。如果条件不具备，可选择容易完成的项目，以实现自我的创新成长。