利用太阳的辐射能,直接转换成供人们炊事使用的热能,以代替一般炉灶,这种器具就叫做太阳灶。世界上研制的太阳灶种类繁多。但是,从原理结构分类,大致上只有三种类型,即闷晒式(箱式)、聚光式和热管传导式。
1、闷晒式太阳灶
闷晒式太阳灶又叫“箱式太阳灶”,因为它的形状象一个热箱。它的工作方式是置于太阳光下长时间地闷晒,缓慢地积蓄热量。箱内温度一般可达120~150℃,适合于闪蒸食品或作为保温器和医疗器具的消毒用。闷晒式太阳灶的构造如下:首先制一四周和底层保温的箱体,保温材料可选用棉花或其它无异味、不挥发的保温材料(对食物不产生毒性)。箱体大小按需要设计,我国农村家庭使用的闷晒式太阳灶一般为100厘米
X 70厘米 X 30厘米。箱体用木板或木框加纸板做成,保温层朝向箱内的表面涂以黑色,以便吸收太阳的辐射热。箱内还应安装支承食具的铁丝架。箱盖为活动式,密封性能要好,开启要方便。箱盖装有双层玻璃,玻璃要求平整、透光率高,两层玻璃的间距为1厘米。
闷晒式太阳灶的工作原理是:太阳的辐射能,即阳光,主要是可见光和近红外线,几乎能够全部透过平板玻璃(如果玻璃的透光率很高)。当阳光透过玻璃进入保温箱体后,遇到黑色的吸收体,光即转变为热。在物理学上,热的辐射也是一种物质运动的形式,主要为红外辐射,其波长较长,恰好玻璃能阻止长波的通过,安装双层玻璃,红外辐射就更难透过。同时,箱体四周和底部均有保温隔热材料,也不让热辐射外逸。换言之,玻璃起了让短波阳光进、不让长波红外线出的作用。尽管箱体总是要散失一部分热量,但箱内的温度随着闷晒时间的延续,将会逐渐升温,直至到达平衡为止。由此可见,这种太阳灶的箱内最高温度取决于保温材料的优劣。通常采用棉花保温,可达150℃左右,这种温度对于炊事使用已足够了。若选用更好的保温材料,则将增加太阳灶的造价,经济上并不合算。为了提高问晒式太阳灶的效率,缩短闷晒时间,或防止多云时影响灶温下降,可在箱侧加装反光镜,增大受光面积;也可在箱底加装金属油箱(薄盒),借助油的储热作用,维持太阳间歇性照射时箱内的温度稳定。在条件允许的情况下,盖面玻璃的表面可以加涂一层光谱选择性材料,如二氧化硅之类的透明涂料,以改变阳光的吸收与发射。提高太阳灶的效率。
闷晒式太阳灶的箱内温度是逐渐积累起来的,受风速影响较大,为防止热损失,使用时要注意放置在向阳背风的地方。一般夏日阳光好时,闷熟米饭大约需要3小时,一天可做午、晚两顿饭。虽然闷晒时间较长,但不用人看管,并具有较好的保温性,使用得当。可以节省柴草,适合有些农村使用。
2、聚光式太阳灶
聚光式太阳灶是将较大面积的阳光聚焦到锅底,使温度越到较高的程度,以满足炊事要求。这种太阳灶的关键部件是聚光镜,不仅有镜面材料的选择,还有几何形状的设计。最普通的反光镜为镀银或镀铝玻璃镜,也有铝抛光镜面和涤纶薄膜镀铝材料等。
聚光式太阳灶的镜面设计,大都采用旋转抛物面的聚光原理。在数学上若抛物线绕主轴旋转一周,所得的面,即称为“旋转抛物面”。若有一束平行光沿主轴射向这个抛物面,遇到抛物面的反光,则光线都会集中反射到
定点的位置,于是形成聚光,或叫“聚焦”作用。作为太阳灶使用,要求在锅底形成一个焦面,才能达到加热的目的。换言之,它并不要求严格地将阳光聚集到一个点上,而是要求一定的焦面。确定了焦面之后,我们就不难研究聚光器的聚光比,它是决定聚光式太阳灶的功率和效率的重要因素。聚光比K可用下式求得:K=采光面积/焦面面积。采光面积是指太阳灶在使用时反射镜面阳光的有效投影面积。根据我国推广太阳灶的经验,设计一个500~700瓦功率的聚光式太阳灶,通常采光面积约为1.5~2.0米2。个别大型蒸汽太阳灶也是聚光式太阳灶,但其采光面积较大,有的要在5米2以上。
旋转抛物面聚光镜是按照阳光从主轴线方向入射,所以往往在通过焦点上的锅具时会留下一个阴影,这就要减少阳光的反射,直接影响太阳灶的功率。河南省能源研究所刘祖德同志在研制太阳灶时,首先提出关于偏轴聚焦的原理,克服了上述弊病。目前,我国大部分太阳灶的设计均采用了偏轴聚焦原理。
聚光式太阳灶除采用旋转抛物面反射镜外,还有将抛物面分割成若干段的反射镜,光学上称之为菲涅耳镜,也有把菲涅耳镜做成连续的螺旋式反光带片,俗称“蚊香式太阳
灶”。这类灶型都是可折叠的便携式太阳灶。 聚光式太阳灶的镜面,有用玻璃整体热弯成型,也有用普通玻璃镜片碎块粘贴在设计好的底板上,或者用高反光率的镀铝涤纶薄膜裱糊在底板上。底板可用水泥制成,或用铁皮、钙塑材料等加工成型。也可直接用铝板抛光并涂以防氧化剂制成反光镜。聚光式太阳灶的架体用金属管材弯制,锅架高度应适中要便于操作,镜面仰角可灵活调节。为了移动方便,也可在架底安装两个小轮,但必须保证灶体的稳定性。在有风的地方,太阳灶要能抗风不倒。可在锅底部位加装防风罩,以减少锅底因受风的影响而功率下降。有的太阳灶装有自动跟踪
太阳的跟踪器,但是一般认为这只会增加整灶的造价。中国农村推广的一些聚光式太阳灶。大部分为水泥壳体加玻璃镜面,造价低,便于就地制作。
3、热管式太阳灶
热管式太阳灶分为两个部分:(1)室外收集太阳能的集热器,即自动跟踪的聚光式太阳灶。(2)热管。
热管是一种高效传热件、利用管体的特殊构造和传热介质树蒸发与凝结作用,把热量从管的一端传到另一端。热管式太阳灶是将热管的受热端即沸腾段置于聚光太阳灶的焦点处,而把释热端即凝结段置于散热处或蓄热器中。于是,太阳热就从户外引入室内,使用较为方便。有的将蓄热器置于地下,利用大地作绝热保温器,其中填以硝酸钠、硝酸钾和亚硝酸钠的混合物作蓄热材料。当热管传给的热量熔化了这些盐类,盐熔液就把蛇形管内的载热介质加热,载热介质流经炉盘,炉盘受热即可作炊事用。
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