專利名稱：傘形透射式太陽能灶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型的目的是提供一種具有高效實用、環(huán)保節(jié)能、重量輕、生產(chǎn)工藝簡單、制造成本低廉，使用時可隨日移動，而被加熱物體可無需移動，即焦點固定，可部分代替平板玻璃封閉陽臺或窗口，可為城市、農(nóng)村、牧區(qū)、部隊生活或生產(chǎn)供熱及工業(yè)生產(chǎn)中的煅燒、焊接、冶煉供熱的一種太陽能利用裝置----傘形透射式太陽能灶。
傳統(tǒng)的用光學(xué)聚焦原理制成的太陽能灶有兩種一種是由凸透鏡，平凸鏡、凹凸鏡構(gòu)成；一種是指折射式太陽能灶。前者俗稱“火鏡”，其制造到可以為做飯、熱水供熱的程度時，由于自身體積必須擴(kuò)大，往往重達(dá)數(shù)百斤甚至上千斤，因而不宜實用，限制了它的推廣利用。后一種折射式太陽能灶，由于占地面積過大，焦點位置過高，焦點隨太陽移動而反向移動，因而用熱裝置或器具也須經(jīng)常移動，不便于操作，鏡面反光耀眼，不能室外采光室內(nèi)供熱等原因，也限制了它的使用與推廣。
為了解決這些問題，本發(fā)明設(shè)計了一種質(zhì)量輕，焦點固定，無需移動用熱裝置或器具，可在室外采光室內(nèi)供熱，可以部分代替平板玻璃封閉陽臺、窗口的多用途傘形透射式太陽能灶。
傘形透射式太陽能灶有兩個主要部分組成一是采光聚焦裝置，我們稱它為聚焦片，是太陽能的采集和聚焦部分，也可以用來直接封閉陽臺及窗口并產(chǎn)熱。(見后述)一是焦點固定裝置，用以保證聚焦片聚焦的熱能固定地作用于需加熱的器具上，后者做為支持與固定部分與前者連接后，共同構(gòu)成了傘形透射式太陽能灶(見后述)。
傘形透射式太陽能灶的主體----聚焦裝置，我們稱它為聚焦片，外觀呈傘形或滑翔傘形，可用普通玻璃、有機(jī)玻璃、塑料、樹脂等透明材料澆鑄制成，固定裝置用普通金屬材料即可，因而材料價格低廉，生產(chǎn)工藝簡單，可由中小企業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)品本身又可供企業(yè)在采熱時使用，由于聚焦片是一略帶弧形的薄片，可代替玻璃直接封閉陽臺及窗口，因而更加實用，且有環(huán)保節(jié)能的特點，有較大的經(jīng)濟(jì)潛力。
聚焦片實際上是一個環(huán)行臺階樣凹凸透鏡，外形為遮陽傘或滑翔傘形、是本發(fā)明的核心，它可以與焦點固定裝置組成傘形透射式太陽能灶。


圖1、2、3為遮陽傘形聚焦片的正面、后面及剖面圖，圖4、5、6為滑翔傘形聚焦片的正面，后面及剖面圖，為一用普通透明材料制成的傘形薄片透明體，它與普通凸透鏡、平凸透鏡、凹凸透鏡的結(jié)構(gòu)都有所不同，無論做到多大，其中心厚度與邊緣厚度均為相對一致的薄片。制作時聚焦片的凸面應(yīng)平滑光潔，并根據(jù)所需焦距的長短，制成相應(yīng)的彎曲半徑，如需較大的焦距時，聚焦片的彎曲半徑就應(yīng)大些，此時凸面接近平直，制成的聚焦片便于代替玻璃用來封閉陽臺、窗口。同時聚焦片的采光面積也相應(yīng)增大，可以采收較多的能量。如不需較大焦距時，凸面的彎曲半徑就應(yīng)小些。
凸面的另一側(cè)，是一個以凸面光學(xué)中心為圓心的多重環(huán)形臺階樣凹陷。由于這個環(huán)形臺階樣凹陷面的制作，既保持了凸面的聚焦能力，又減輕了凸透鏡的厚度和重量，形成了薄片式凸透鏡。(參見圖3、圖6)即我們前面說的環(huán)形臺階凹凸透鏡----本發(fā)明的采光聚焦裝置----聚焦片。其聚焦原理與平凸透鏡相同，不同在于結(jié)構(gòu)變薄了、重量減輕了。只要使其凸面保持與太陽的垂直關(guān)系，即可利用太陽能聚焦產(chǎn)熱。這種聚焦片的設(shè)計達(dá)到了3個目的一保持了凸面的聚焦能力，二將平凸透鏡制成了薄片，三減輕了自身重量，此三個目標(biāo)，為傘形透射式太陽能灶的制造和使用創(chuàng)造了條件。
聚焦片可以整體鑄成或分片制作，再拼裝在圓形或矩形的金屬框架內(nèi)，然后裝在支撐臂上即可。聚焦片的厚度在使用玻璃制作時，可設(shè)計為5---6mm，用有機(jī)玻璃、塑料、樹脂等材料時，可更薄些，份量更輕，十分便于使用。環(huán)形臺階的厚度一般占總厚度的1/2，其寬度由于球面差的緣故，中心較寬，邊緣較窄?？蓞⒖磮D3、圖6計算制作。傘形聚焦片的大小與焦距的長短，應(yīng)視所需熱量的大小與具備的空間的大小而確定。一般窗口、陽臺安裝本灶時，以滑翔傘形為好，聚焦片弧長制作到2---2.5m之間，寬0 8--1.2m之間，彎曲半徑在3--4m之間較好。如需用作冶練、煅燒或安裝在天窗供應(yīng)較大熱量時，其尺寸均可調(diào)整制作。
傘形透射式太陽能灶的另一組成部分是焦點固定裝置。為了便于實用推廣，就應(yīng)使聚焦片凸面經(jīng)常保持與太陽的垂直關(guān)系，使灶臺、熱水器或其他用熱裝置位置固定，以利操作，為了防止熱量散失，很有必要把聚焦片室外采收到的光能聚焦到室內(nèi)產(chǎn)熱，這一點在北方寒冷地區(qū)十分重要，為此設(shè)計了焦點固定裝置。根據(jù)物理光學(xué)原理，當(dāng)一個凸透鏡在一個半徑與其焦距相等的球體表面任意滑動時，凸透鏡的焦點總是固定在球體的園心位置上。圖7、圖8為其原理圖。圖中A、B為聚焦片、弧形的半徑與聚焦片焦距相等?？梢钥闯觯瑹o論圖中聚焦片在A位還是B位，焦點總是在O點。焦點固定裝置就是根據(jù)這個原理制作的，先做一個半徑與聚焦片焦距相等的弧形軌道，把它裝在固定用支架或窗口、陽臺上方，軌道上再裝一個可移動的滑動臂，再在滑動臂的外側(cè)方裝2個外展的支撐臂，用以安裝在外力牽引下可沿支撐臂長軸滑動的聚焦片，支撐臂的彎曲半徑要與弧形軌道半徑相同，園心同一。其長度要大于載在其上的聚焦片的寬度，使聚焦片能在其上做40°左右的偏轉(zhuǎn)移動?；⌒诬壍赖陌霃揭欢ㄒc聚焦片的焦距相等，長度約為同園所對120°左右的弧長。滑動臂的長度應(yīng)略大于裝在其上的兩支撐臂間距，兩支撐臂間距以聚焦片弦長1/3較為適宜，這樣做成的焦點固定裝置，聚焦片可隨時調(diào)整其與太陽的關(guān)系，以獲取最佳的角度與光能。同時由于采用這種方案后，焦點不隨聚焦片移動，而是固定在弧形軌道的園心位置，因而十分便于生活、生產(chǎn)中的實際操作。完全能滿足一般日常生活及生產(chǎn)中用熱的需要。圖9為滑翔傘形透射式太陽能灶的結(jié)構(gòu)示意圖。1.為裝在弧形軌道上的滑動臂，2.為弧形軌道，3.為裝在滑動臂外側(cè)的支撐臂，4.為軌道固定孔，5.為載在支撐臂上的聚焦片。圖中未給出移動滑動臂與聚焦片的繩索與滑輪。一般來說，滑動臂在軌道上的移動與固定，可由拴縛在支撐臂近滑動臂端的繩索與固定在軌道兩側(cè)的滑輪來完成，聚焦片在支撐臂上的移動與固定，可由拴縛在聚焦片軌道側(cè)的繩索與軌道上的滑輪來完成。聚焦片的移動亦可用其它裝置完成，但要注意保持滑動軌道與支撐臂半徑同聚焦片焦距相等，才能使焦點位置固定，利于實用操作。
在日常生產(chǎn)生活中，如在庭院或工廠里安裝本灶供熱，可將弧形軌道固定在支架上，并與地面保持適當(dāng)?shù)母叨?，以利采熱時的各種操作。如將本灶安裝在天窗上，則可使一日內(nèi)有最長的時間利用太陽能。就大多數(shù)用戶而言，需將本灶安裝在窗口或陽臺上方，這樣可使生活用熱更加方便。為了不使周圍建筑或房屋自身遮擋本灶采光供熱，盡可能長地利用每日光照時間，可對陽臺及窗口做以下適當(dāng)改造，即把窗口或陽臺下部的封閉玻璃改造為一種柜臺式凸出。
圖10為窗口下部玻璃柜臺式凸出與弧形軌道的示意圖。圖中1.為窗口上方的弧形軌道，2.柜臺式凸出的窗口下部，3.凸出的窗口里安置的需加熱的物品，
圖11為柜臺式凸出的窗口與本灶的側(cè)面示意圖。圖中1.為裝在支撐臂上的聚焦片，2.為柜臺式凸出的窗口下部，O點為本灶焦點位置，可安置需用熱的灶具等器具。由
圖10、
圖11可以看出，這種改造，既能較好地利用太陽能，又使室內(nèi)空間有所擴(kuò)大，且不會造成熱量散失。在日出日落之間，一般用戶的一日三餐或洗浴用熱，都可利用本灶。
對于一些不愿意改造陽臺窗口結(jié)構(gòu)的用戶或高緯度地區(qū)的用戶，由于太陽與地面角度偏斜，需要對本灶的安裝方法做一些調(diào)整，才能達(dá)到室外采光室內(nèi)聚焦的目的。其做法是適當(dāng)縮小支撐臂與滑動臂之間的夾角，即可使焦點移入室內(nèi)或陽臺。
圖12為一般情況下與調(diào)整后的焦點位置示意圖。圖中1.為一般情況下的聚焦片的工作位置，2.為縮小支撐臂與滑動臂夾角后的聚焦片的工作位置，3.為窗戶玻璃，4.為滑動臂，5.為一般狀況下支撐臂，6.為調(diào)整后的支撐臂，從
圖12可看出，一般情況下，焦點位置在O點，調(diào)整支撐臂后交點由O點移入位于室內(nèi)的O′位置。這種方法有一缺點就是在夏日太陽與地面角度欲接近垂直時，焦點無法形成，影響了熱量的產(chǎn)生和利用。
另一種把焦點移入室內(nèi)的方法是做圓心偏近弧形軌道側(cè)的偏心聚焦片，并使支撐臂與滑動臂夾角適當(dāng)縮小，這樣可使焦點較好地移入室內(nèi)，同時也可兼顧高緯度地區(qū)夏日使用。偏心聚焦片的偏心程度，可視不同緯度地區(qū)調(diào)整制作。最佳的室外采光、室內(nèi)聚焦方法有兩種一是對于新建房屋或愿意對窗口及陽臺進(jìn)行改造的用戶來講，可采用一種玻璃封頂，弧形凸出的窗口或陽臺，這樣即可增大室內(nèi)面積，又可充分利用本灶供熱。如把這種凸出式陽臺或窗口做的更大些，把本灶直接裝在其內(nèi)，則使用更加方便，且可避免刮風(fēng)帶來的影響與毀損。二是設(shè)置天窗，把本灶直接裝在其上，可以更充分地利用太陽能供熱。
上述幾種方法，都不影響窗口、陽臺的封閉性能，不會造成熱量散失。
利用聚焦片封閉陽臺及窗口時，僅需在滑翔傘形聚焦片兩側(cè)中部安裝一個水平軸凸，并將其裝在兩側(cè)鋼窗上的軸承套內(nèi)，聚焦片即可隨意傾斜，以適應(yīng)與太陽的垂直關(guān)系而產(chǎn)熱。這種方法由于聚焦片不能做由東而西的隨日移動，因而僅能在午間采光供熱。在冬季，由于聚焦片傾斜時與周圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的縫隙，導(dǎo)致熱量散失。為彌補此缺陷，可在聚焦片與其它結(jié)構(gòu)之間裝上折疊式塑料薄膜或透明橡膠帶，以封閉縫隙。
使用傘形透射式太陽能灶時，只要把聚焦片凸面調(diào)節(jié)到與太陽垂直關(guān)系時，即可獲得最佳的熱能。其調(diào)節(jié)可由前述的拴縛繩索與滑輪來完成，不再贅述。只是在不需熱量或僅需較弱的熱量時，可調(diào)節(jié)聚焦片使之與太陽產(chǎn)生一定的傾斜角度，即可不產(chǎn)生熱量或僅產(chǎn)生弱的熱量。因此說本裝置的產(chǎn)熱效能在一定范圍內(nèi)是可以調(diào)整的。
為了避免焦點部位強光耀眼，可在柜臺式凸出的玻璃上敷一層淺綠色塑料薄膜或裝上淺色玻璃，或?qū)⒂脽崞骶叻诺綔\色玻璃屏風(fēng)內(nèi)側(cè)加熱，這種方法雖可損失部分熱能，但影響不大，適于在家庭生活中使用。
滑動壁與支撐臂的固定，可使用螺旋狀插孔，安裝時旋入支撐臂即可。調(diào)節(jié)二者角度的方法，一般在插孔的下方或側(cè)方，預(yù)置幾個相應(yīng)角度的斜行螺紋狀插孔，供用戶使用時選擇使用。
權(quán)利要求1.采用太陽能供熱的傘形透射式太陽能灶，該裝置是由光學(xué)透明材料制成的傘形或滑翔傘形透射式聚焦裝置----聚焦片與可以固定焦點的弧形軌道，滑動臂及其支撐臂等支持與轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)組成，其特征是聚焦片凸面的另一側(cè)為一個與凸面同圓心環(huán)形臺階式凹陷面，成為薄片聚焦片，在半徑與聚焦片焦距相等的弧形軌道上，裝上滑動臂，滑動臂的外側(cè)方裝上與弧形軌道半徑相同的外展的可調(diào)整與滑動臂夾角的彎曲形支撐臂，在支撐臂上裝置可沿其長軸移動的聚焦片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傘形透射式太陽能灶，其特征為聚焦片光學(xué)中心可以與幾何中心重合，亦可偏離幾何中心，成為偏心聚焦片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傘形透射式太陽能灶，其特征為聚焦片凸面與凹面同園心。
專利摘要傘形透射式太陽能灶由環(huán)形臺階樣凹凸透鏡與弧形軌道式焦點固定裝置組成的傘形透射式太陽能灶,可為做飯、炒菜、洗浴、煅燒、冶煉、焊接等供熱。其采光聚焦部分可由玻璃、有機(jī)玻璃等普通透明材料制成,由于采用了凸面環(huán)行臺階樣凹陷面設(shè)計,為厚約5—6mm的薄片在弧形軌道上,裝有滑動臂,滑動臂外側(cè)方有支撐臂,在支撐臂上有聚焦電?？捎脕碇苯臃忾]陽臺、窗口并提供太陽能。在使用塑料、樹脂等制造時,厚度與重量可進(jìn)一步減少。本裝置可室外采光室內(nèi)聚焦產(chǎn)熱,因焦點位置固定不動,所以無需移動被加熱的物體。
文檔編號F24J2/02GK2399673SQ9921149
公開日2000年10月4日 申請日期1999年5月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月17日
發(fā)明者魏利 申請人:魏利