劉莉瑩，何 驍，王 琦，陳沈冬

(沈陽工程學(xué)院新能源學(xué)院，遼寧沈陽110136)

1 便攜式偏軸太陽灶設(shè)計(jì)

1.1 便攜式偏軸太陽灶的設(shè)計(jì)方法

太陽灶在使用過程中，鍋底總是水平的，因而灶面上的反射光線與鍋底平面的夾角總是隨太陽高度的變化而變化。太陽灶反射的光線分為反射到鍋底的光線和反射到鍋壁的光線兩部分，反射到鍋底的光線比照在鍋壁上的光線能被更好地吸收，同時(shí)反射在鍋底的光線具有較大的反射余角(反射光線與鍋底的夾角)，更容易被吸收。一般情況下太陽光會(huì)照在作為灶面的拋物面上，但并非整個(gè)拋物面都有必要作為灶面，只選擇其中反射光線集中于鍋底的部分作為灶面即可(如圖1所示)。據(jù)此，灶面設(shè)計(jì)過程中依據(jù)集光錐原理，在拋物面中首先減去在確定的太陽高度角范圍內(nèi)不能把光反射到鍋底上的反射面部分，其次去掉反射光與鍋底夾角過小的反射面部分，剩余部分在確定的太陽高度角范圍內(nèi)，灶面的反射光不但可以全部集中于鍋底，而且灶面各部分的反射光束與鍋底的夾角都大于或等于20°，使得反射光能很好地被鍋底所吸收。

1.2 便攜式偏軸太陽灶參數(shù)確定

1.2.1 太陽高度角h

太陽高度角是指太陽的光線與地平面的夾角，用hmax和hmin來表示太陽灶使用時(shí)太陽高度角的最大值與最小值。其表示從太陽升起到日落的過程中，太陽灶使用時(shí)對應(yīng)的太陽高度角值。太陽高度角最小值在20°～25°之間，最大值 hmax=102°－0.8φ。(φ 為當(dāng)?shù)鼐暥?

圖1 集光錐原理設(shè)計(jì)太陽灶灶面

1.2.2 反射余角θ

反射余角是指反射光線與鍋底平面的夾角?？紤]到在操作方便的情況下，盡可能增大采光面積，θ可以取值的范圍是15°到20°之間。

1.2.3 采光面積s

太陽灶采光面積是指太陽灶主光軸與陽光平行時(shí)，灶面在垂直于陽光方向上的投影面積。采光面積決定了太陽灶的功率。

1.2.4 操作高度H

操作高度是指在使用太陽灶時(shí)，鍋架距地面的高度。建議操作高度最高不超過1.25 m，這樣的取值是為了使身高在1.6 m及以下的使用者能從灶的后面夠得著鍋架。

1.2.5 焦距f

焦距的選取大小和其他參數(shù)間有相互的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)焦距較小時(shí)，鍋架就較低，方便于操作，但灶面也必然要做得較小，因而功率也就小了。焦距過大時(shí)，會(huì)帶來操作的不便以及鍋架穩(wěn)定性的下降。采光面積的大小與焦距、功率的關(guān)系參考如下。

表1 太陽灶灶面面積與焦距及功率的關(guān)系

2 便攜式偏軸太陽灶的制作

2.1 確定灶面面積、繪制灶面1.1 圖紙

以由集光錐原理為基礎(chǔ)導(dǎo)出的三圓作圖法作為繪制灶面曲線的基本方法。采光面輪廓圖由3個(gè)圓的4條圓弧組成，這3個(gè)圓的圓心分別為 O1，O2，O3，半徑分別為R1、R2、R3，圓心的位置及半徑大小分別由太陽灶設(shè)計(jì)使用范圍的太陽高度角、焦距、操作高度等確定，如下式。

式中，hmin、hmax分別為太陽灶使用范圍的最小和最大太陽高度角;θ1、θ2為與之對應(yīng)的反射余角，f為太陽灶的焦距，H為操作高度。三圓作圖法確定灶面形狀示意圖如圖2，灶面形狀為圖中陰影部分。考慮到沈陽地理位置、操作者舒適程度等因素，各參數(shù)取值如下hmin=30°，hmax=67°，θ1=25°，θ2=20°，f=0.7 m，H=1.0 m。于是根據(jù)式(1)～(3)，得 3個(gè)圓分別為(0.407，0.95)，(1.439，1.566)及(2.426，1.497)。

2.2 太陽灶支架及鍋具架的設(shè)計(jì)

根據(jù)太陽灶支架設(shè)計(jì)的一般原則，太陽灶支架應(yīng)保證鍋架始終與地面平行，有條件的情況下，太陽灶在方位角和高度角兩個(gè)方向上應(yīng)不斷跟蹤太陽光。太陽灶的鍋具架是在使用中固定鍋具用的，要求鍋具架具有一定的強(qiáng)度且能水平放置，同時(shí)鍋具架的位置應(yīng)恰好在灶面反射光線形成的光斑位置處。

考慮到便攜性，盡量簡化制作過程及降低成本，支架的跟蹤機(jī)制為手動(dòng)可調(diào)，鍋具架也為可拆卸結(jié)構(gòu)。

圖2 灶面形狀示意

2.3 灶體設(shè)計(jì)與制作

太陽灶的灶體包括灶殼與灶面反光面。傳統(tǒng)太陽灶的灶體多采用鑄鐵、玻璃鋼、水泥、菱鎂等材料，這類材料的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度大，取材較為便利，但是由于需要制作模具，因而增加了制作的難度和成本，不適合便攜式太陽灶的制作。這里選取苯板作為太陽灶的灶體材料，具有取材方便、價(jià)格低廉、易于加工、重量輕等特點(diǎn)。為提高灶體強(qiáng)度，將木制箱子用于灶體的支撐及固定。木箱除作為灶體支撐材料外還可以將鍋具架及支架等裝入其中，便于攜帶。灶面反光材料選用太陽灶專用反光錫紙。灶體的制作按照以下步驟進(jìn)行。

圖3 灶面的塑形及反光材料的粘貼

1)在1:1圖紙上貼上錫紙，做初步的聚光模擬測試，初步確定灶殼外部裝箱的大小。

2)根據(jù)上面的尺寸制作承載灶面的箱子。

3)在箱內(nèi)填充苯板，按設(shè)計(jì)的灶面曲率將苯板挖成曲面。

4)將錫紙鋪在苯板上，在陽光下檢測填充物曲率是否滿足拋物面(觀察太陽光是否聚集在相應(yīng)的位置)，對苯板的形狀進(jìn)行調(diào)整，直到太陽灶的聚光效果達(dá)到預(yù)計(jì)的要求。

5)在灶面上固定反光材料。由于所設(shè)計(jì)太陽灶可攜帶，所以反光材料選擇的種類很多，如玻璃鏡片、反光膜等?？紤]到便攜性，采用太陽灶專用反光膜。

圖4 太陽灶實(shí)物

圖5 熱性能測試實(shí)驗(yàn)

3 光熱效果測試

在晴朗天空下，將太陽灶置于戶外，在鍋具中放入500 mL自來水，每隔5 min測量一次水溫，溫度計(jì)放置在鍋具正中，浸入水深距水底1/3處。測量結(jié)果顯示，經(jīng)過13 min時(shí)間，水溫達(dá)到了90℃。自來水原溫度15℃，則可以推算出所制作的太陽灶功率約為202 W。

4 結(jié)語

太陽灶的應(yīng)用具有清潔環(huán)保的特點(diǎn)，但由于其制作需要模具，使推廣應(yīng)用受到一定局限。闡述了一種簡單可行的偏軸太陽灶制作方法，并完善了太陽灶的便攜性。將灶體拆分成兩塊灶面的組合，兩塊灶面同時(shí)以箱體的兩個(gè)木質(zhì)蓋做載體，使灶殼的制造更加簡易，便于多次組裝、運(yùn)輸。這種設(shè)計(jì)更加靈活，利于灶面的方位角、仰角的調(diào)整，以保證太陽灶工作在最大功率點(diǎn)。熱性能試驗(yàn)顯示該灶的功率可以達(dá)到202 W，這一功率還可以通過修正灶面曲率，采用具有更高反射系數(shù)的灶面材料(如平面反射鏡)進(jìn)一步提高。便攜式太陽灶非常適合戶外使用，在戶外科考、節(jié)假日旅游等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。這種便攜太陽灶避免了傳統(tǒng)太陽灶制作過程中復(fù)雜的模具制作，大大簡化了灶體制作過程，同時(shí)為太陽灶的制作從整體化向模塊化提供了新的思路。

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