入户聚光式太阳灶的可行性研究

摘要

太阳以其无比巨大的能量辐射为人类提供了取之不尽、用之不竭的能量源泉,而太阳能灶的应用则是我国太阳能利用中开展最早、影响最广泛的项目。目前国内太阳灶分布于太阳能丰富的青海、宁夏、甘肃等西部农村地区,且都是在室外使用。主要原因一是光线在传输过程中光能损耗大,二是在结构上难实现随着太阳东升西落等限制最终还是以平行光在一定点方向传导,即便是设计各种跟踪系统以达到高效利用太阳能,但光线在管道镜或是光缆纤维传导总是以全反射的形式,能耗依然严重。对太阳能的利用大多数太阳灶都是将光能转化热能,通过介质再传导热能,或是转化为电能等形式,直接或是间接地两次能量转化当然对太阳能的利用就大打折扣了。
　　本文从聚光式太阳灶原理出发,利用椭球镜焦点转移的方法以实现平行光线的定点输出,并设计了相应的智能跟踪系统和机械结构。其主要原理是利用近似平行光线照射抛物面汇集于一点来采集光线,在这里将汇集的光线根据椭球镜焦点转移到另外一点,然后用偏光器(小抛物面)将汇集光线以平行光发散出去,之后平行光线在导光管中传导到室内,通过透镜组将光线聚焦来加热炊具。在文章中,入户式太阳灶需要定点平行光线的导入,依据此点选择了单轴跟踪系统。首先进行整个装置的机械结构设计,主要包括理论介绍和各个零部件的设计,并使用CAD软件完成关键零件尺寸结构设计,例如太阳能灶抛物面、椭球镜、偏光器、导光管以及聚光器件组等等;其次对智能跟踪系统进行设计,其中跟踪系统包括传感器、电路系统以及机械系统三部分;最后通过各个零部件材料的选型,粗略计算炊具可达到的理论功率,据此为入户式太阳能灶的可行性研究做个基础。本系统采用简单的自动跟踪装置,解决了太阳偏转造成的光能浪费,提高了太阳能有效利用率,其结构简单,成本较低,适合在市场上普及,在节能环保的今天,把太阳灶引入室内使用,具有极好的发展前景。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 太阳灶简介

1.1.1 太阳灶的应用与发展

1.1.2 炊事工作对太阳灶的要求

1.1.3 常见太阳灶的几种结构

1.2 课题来源及研究目的与意义

1.2.1 课题来源

1.2.2 课题研究的目的与意义

1.3 国内外的研究现状

1.4 研究目标、研究内容及拟解决的关键技术

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究内容及研究方法

1.4.3 拟解决的关键问题

1.5 预期的研究成果与创新点

1.5.1 预期的研究成果

1.5.2 创新点

1.6 小结

第2章 聚光式太阳能灶机械结构设计

2.1 太阳灶设计原理

2.1.1 采光部分

2.1.2 导光管的设计和安放

2.1.3 透镜组件设计

2.2 整体结构示意图

2.3 关键零件尺寸设计

2.3.1 太阳灶镜面

2.3.2 椭球镜

2.3.3 偏光器

2.3.4 导光管

2.4 小节

第3章 智能跟踪系统设计

3.1 太阳灶跟踪系统设计考虑因素

3.1.1 季节变化对太阳能辐射的影响

3.1.2 赤纬角引起四季变化

3.1.3 太阳高度角与方位角的计算

3.2 太阳灶的跟踪原理

3.2.1 两种跟踪系统介绍

3.2.2 跟踪系统原理

3.3 太阳灶自动跟踪装置

3.4 小节

第4章 聚光式太阳能灶效率计算

4.1 太阳灶镜面反光材料选型

4.1.1 常见的反射材料

4.1.2 镀膜反光材料

4.2 旋转抛物面聚光式太阳灶的光效率

4.2.1 太阳灶灶面反射率(ρ)

4.2.2 太阳灶炊具底平面对入射光线辐射量的吸收率(α)

4.2.3 太阳灶炊具底平面对入射辐射的截获率(γ)

4.3 聚光式太阳灶的理论效率

4.3.1 太阳灶的炊事试验

4.3.2 太阳灶使用注意事项

4.4 小节

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读学位期间发表的论文