新型便携式组合偏轴聚光太阳灶的研制

刘莉莹，何 骁，王 琦，陈沈冬

(沈阳工程学院新能源学院，辽宁沈阳110136)

1 便携式偏轴太阳灶设计

1.1 便携式偏轴太阳灶的设计方法

太阳灶在使用过程中，锅底总是水平的，因而灶面上的反射光线与锅底平面的夹角总是随太阳高度的变化而变化。太阳灶反射的光线分为反射到锅底的光线和反射到锅壁的光线两部分，反射到锅底的光线比照在锅壁上的光线能被更好地吸收，同时反射在锅底的光线具有较大的反射余角(反射光线与锅底的夹角)，更容易被吸收。一般情况下太阳光会照在作为灶面的抛物面上，但并非整个抛物面都有必要作为灶面，只选择其中反射光线集中于锅底的部分作为灶面即可(如图1所示)。据此，灶面设计过程中依据集光锥原理，在抛物面中首先减去在确定的太阳高度角范围内不能把光反射到锅底上的反射面部分，其次去掉反射光与锅底夹角过小的反射面部分，剩余部分在确定的太阳高度角范围内，灶面的反射光不但可以全部集中于锅底，而且灶面各部分的反射光束与锅底的夹角都大于或等于20°，使得反射光能很好地被锅底所吸收。

1.2 便携式偏轴太阳灶参数确定

1.2.1 太阳高度角h

太阳高度角是指太阳的光线与地平面的夹角，用hmax和hmin来表示太阳灶使用时太阳高度角的最大值与最小值。其表示从太阳升起到日落的过程中，太阳灶使用时对应的太阳高度角值。太阳高度角最小值在20°～25°之间，最大值 hmax=102°－0.8φ。(φ 为当地纬度)

图1 集光锥原理设计太阳灶灶面

1.2.2 反射余角θ

反射余角是指反射光线与锅底平面的夹角。考虑到在操作方便的情况下，尽可能增大采光面积，θ可以取值的范围是15°到20°之间。

1.2.3 采光面积s

太阳灶采光面积是指太阳灶主光轴与阳光平行时，灶面在垂直于阳光方向上的投影面积。采光面积决定了太阳灶的功率。

1.2.4 操作高度H

操作高度是指在使用太阳灶时，锅架距地面的高度。建议操作高度最高不超过1.25 m，这样的取值是为了使身高在1.6 m及以下的使用者能从灶的后面够得着锅架。

1.2.5 焦距f

焦距的选取大小和其他参数间有相互的对应关系。当焦距较小时，锅架就较低，方便于操作，但灶面也必然要做得较小，因而功率也就小了。焦距过大时，会带来操作的不便以及锅架稳定性的下降。采光面积的大小与焦距、功率的关系参考如下。

表1 太阳灶灶面面积与焦距及功率的关系

2 便携式偏轴太阳灶的制作

2.1 确定灶面面积、绘制灶面1.1 图纸

以由集光锥原理为基础导出的三圆作图法作为绘制灶面曲线的基本方法。采光面轮廓图由3个圆的4条圆弧组成，这3个圆的圆心分别为 O1，O2，O3，半径分别为R1、R2、R3，圆心的位置及半径大小分别由太阳灶设计使用范围的太阳高度角、焦距、操作高度等确定，如下式。

式中，hmin、hmax分别为太阳灶使用范围的最小和最大太阳高度角;θ1、θ2为与之对应的反射余角，f为太阳灶的焦距，H为操作高度。三圆作图法确定灶面形状示意图如图2，灶面形状为图中阴影部分。考虑到沈阳地理位置、操作者舒适程度等因素，各参数取值如下hmin=30°，hmax=67°，θ1=25°，θ2=20°，f=0.7 m，H=1.0 m。于是根据式(1)～(3)，得 3个圆分别为(0.407，0.95)，(1.439，1.566)及(2.426，1.497)。

2.2 太阳灶支架及锅具架的设计

根据太阳灶支架设计的一般原则，太阳灶支架应保证锅架始终与地面平行，有条件的情况下，太阳灶在方位角和高度角两个方向上应不断跟踪太阳光。太阳灶的锅具架是在使用中固定锅具用的，要求锅具架具有一定的强度且能水平放置，同时锅具架的位置应恰好在灶面反射光线形成的光斑位置处。

考虑到便携性，尽量简化制作过程及降低成本，支架的跟踪机制为手动可调，锅具架也为可拆卸结构。

图2 灶面形状示意

2.3 灶体设计与制作

太阳灶的灶体包括灶壳与灶面反光面。传统太阳灶的灶体多采用铸铁、玻璃钢、水泥、菱镁等材料，这类材料的优点是强度大，取材较为便利，但是由于需要制作模具，因而增加了制作的难度和成本，不适合便携式太阳灶的制作。这里选取苯板作为太阳灶的灶体材料，具有取材方便、价格低廉、易于加工、重量轻等特点。为提高灶体强度，将木制箱子用于灶体的支撑及固定。木箱除作为灶体支撑材料外还可以将锅具架及支架等装入其中，便于携带。灶面反光材料选用太阳灶专用反光锡纸。灶体的制作按照以下步骤进行。

图3 灶面的塑形及反光材料的粘贴

1)在1:1图纸上贴上锡纸，做初步的聚光模拟测试，初步确定灶壳外部装箱的大小。

2)根据上面的尺寸制作承载灶面的箱子。

3)在箱内填充苯板，按设计的灶面曲率将苯板挖成曲面。

4)将锡纸铺在苯板上，在阳光下检测填充物曲率是否满足抛物面(观察太阳光是否聚集在相应的位置)，对苯板的形状进行调整，直到太阳灶的聚光效果达到预计的要求。

5)在灶面上固定反光材料。由于所设计太阳灶可携带，所以反光材料选择的种类很多，如玻璃镜片、反光膜等。考虑到便携性，采用太阳灶专用反光膜。

图4 太阳灶实物

图5 热性能测试实验

3 光热效果测试

在晴朗天空下，将太阳灶置于户外，在锅具中放入500 mL自来水，每隔5 min测量一次水温，温度计放置在锅具正中，浸入水深距水底1/3处。测量结果显示，经过13 min时间，水温达到了90℃。自来水原温度15℃，则可以推算出所制作的太阳灶功率约为202 W。

4 结语

太阳灶的应用具有清洁环保的特点，但由于其制作需要模具，使推广应用受到一定局限。阐述了一种简单可行的偏轴太阳灶制作方法，并完善了太阳灶的便携性。将灶体拆分成两块灶面的组合，两块灶面同时以箱体的两个木质盖做载体，使灶壳的制造更加简易，便于多次组装、运输。这种设计更加灵活，利于灶面的方位角、仰角的调整，以保证太阳灶工作在最大功率点。热性能试验显示该灶的功率可以达到202 W，这一功率还可以通过修正灶面曲率，采用具有更高反射系数的灶面材料(如平面反射镜)进一步提高。便携式太阳灶非常适合户外使用，在户外科考、节假日旅游等领域具有广泛的应用前景。这种便携太阳灶避免了传统太阳灶制作过程中复杂的模具制作，大大简化了灶体制作过程，同时为太阳灶的制作从整体化向模块化提供了新的思路。

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