高中生发明:让太阳能热水器穿上“隐身衣”

科教新闻 2015-09-25 10:15:43来源:北京晚报
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    如今,太阳能热水器在农村地区已经是户户可见,清洁、高效、廉价,让其在低矮的建筑群里收获了一大批的忠诚用户。然而传统的太阳能热水器,因为其黑重的造型,在进城时却遭到了高楼大厦的“嫌弃”。此外,有限的楼顶面积也确实让太阳能热水器安装起来有些缩手缩脚,无法满足每个楼层用户的需求。

    来自北京景山学校的高三学生陈禹澄,从太阳能热水器的设计上着手改造,打造出“建筑一体化隐形高效太阳能热水器”,不仅好看,高效,而且可在自家阳台自行安装。他凭借此项目获得第30届全国青少年科技创新大赛创意项目一等奖,也成为了北京地区参赛选手中,唯一一个获得“全国十佳科技创意之星”的学生。

    特殊设计让热水器穿上“隐身衣”

    其实,这款“建筑一体化隐形高效太阳能热水器”并不是真的穿上了隐身衣,像哈利·波特的隐身斗篷那样让人能够“视而不见”。陈禹澄说,他的发明是通过让太阳能接收端的颜色、纹理与所装的建筑保持一致,使得太阳能热水器与建筑物外立面完美融合,从而实现了视觉上的隐形。

    陈禹澄介绍说,太阳能接收端的材料是黑铬,黑铬对光的吸收率能达到95%,是太阳能热水器接收端连接热管的良好材料。黑铬颜色单一,这也就是为什么传统的热水器显得黑重的原因。而在设计新的热水器造型时,陈禹澄想到,既然太阳能接收端的材料已经是无可替代,为什么不从地面观察端上做点儿“手脚’呢?

    陈禹澄将太阳能接收端的黑铬翅片加工成了一个曲面,一侧照吸太阳不误,而另一侧则涂刷成与墙面相同的颜色,从而达到隐形的效果。通过观察,禹澄发现,与平面相比,曲面的设计不仅更“隐身”,也更符合太阳焦斑的移动变化,使得吸热效率达到最大。

    擀面杖擀出曲面翅片

    说起来容易,做起来其实也并不简单。禹澄说,在制作实验装置时,好多材料的得来都是大费了一番周折。就拿最基本的黑铬翅片来说,网上的供应商大多不提供零售,这可着实让禹澄苦恼了一阵子。“就得一遍遍跟人解释,我这是学生做实验,软磨硬泡多沟通几次,对方也就卖给我了。这个项目做下来,与人打交道的能力倒是提高了不少。”而为了打造出自己想要的曲面,禹澄把家里的擀面杖都拿出来派上了用场。“那曲面都是我用擀面杖一点点擀出来的。”

    备齐了材料,在将材料整合到一块儿时,又遇上了难题。禹澄在使用热风枪对黑铬翅片和热管进行焊接时,由于热管具有极佳的导热性,刚一加热热量就被导走,材料的熔点难以达到,焊接起来真是不容易;但为了在设计上达到太阳能热水器接收端和黑铬翅片视觉上的隐形,又必须采用焊接的方式。“最后做了一个限位器,把位置固定了之后,才稍微好焊一点儿。”

    隐形的外表下吸热更高效

    在新的设计中,陈禹澄为本身吸热性能良好的黑铬翅片多加了个“双重保险”——凸柱透镜。反复实验后,禹澄有了新的发现,“如果能使面积较大的凸透镜接收的太阳光线投射到形状固定的面积较小的黑铬翅片上,就可以增加整个系统的空载平衡温度。”禹澄所说的这个“空载平衡温度”指的是在整个设备吸热与散热达到平衡时,装备所达到的温度。

    而通过增设平凸柱透镜来增加单位黑铬面积上的光照强度,不仅能够提高黑铬翅片的空载平衡温度,还能够增加传热效率。“在实验观察中,我发现在日照强的时间段内,平行阳光照射下凸透镜下产生的焦斑的位置变化范围比较小,这样一来,其实就可以减小黑铬翅片的面积。”黑铬翅片的面积虽然减小,但由于依然覆盖到了焦斑的变化范围,因此并未减小照射在黑铬翅片上的辐射量,反而减小了多余的黑铬翅片的散热量和向外辐射量,传热效率也因此得以提高。(牛伟坤文并图)

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[收藏] [打印] [责任编辑:张媛媛]
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