如今，太陽能熱水器在農(nóng)村地區(qū)已經(jīng)是戶戶可見，清潔、高效、廉價(jià)，讓其在低矮的建筑群里收獲了一大批的忠誠用戶。然而傳統(tǒng)的太陽能熱水器，因?yàn)槠浜谥氐脑煨停谶M(jìn)城時(shí)卻遭到了高樓大廈的“嫌棄”。此外，有限的樓頂面積也確實(shí)讓太陽能熱水器安裝起來有些縮手縮腳，無法滿足每個(gè)樓層用戶的需求。
來自北京景山學(xué)校的高三學(xué)生陳禹澄，從太陽能熱水器的設(shè)計(jì)上著手改造，打造出“建筑一體化隱形高效太陽能熱水器”，不僅好看，高效，而且可在自家陽臺(tái)自行安裝。他憑借此項(xiàng)目獲得第30屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)意項(xiàng)目一等獎(jiǎng)，也成為了北京地區(qū)參賽選手中，唯一一個(gè)獲得“全國十佳科技創(chuàng)意之星”的學(xué)生。
特殊設(shè)計(jì)讓熱水器
穿上“隱身衣”
其實(shí)，這款“建筑一體化隱形高效太陽能熱水器”并不是真的穿上了隱身衣，像哈利·波特的隱身斗篷那樣讓人能夠“視而不見”。陳禹澄說，他的發(fā)明是通過讓太陽能接收端的顏色、紋理與所裝的建筑保持一致，使得太陽能熱水器與建筑物外立面完美融合，從而實(shí)現(xiàn)了視覺上的隱形。
陳禹澄介紹說，太陽能接收端的材料是黑鉻，黑鉻對(duì)光的吸收率能達(dá)到95%，是太陽能熱水器接收端連接熱管的良好材料。黑鉻顏色單一，這也就是為什么傳統(tǒng)的熱水器顯得黑重的原因。而在設(shè)計(jì)新的熱水器造型時(shí)，陳禹澄想到，既然太陽能接收端的材料已經(jīng)是無可替代，為什么不從地面觀察端上做點(diǎn)兒“手腳’呢?
陳禹澄將太陽能接收端的黑鉻翅片加工成了一個(gè)曲面，一側(cè)照吸太陽不誤，而另一側(cè)則涂刷成與墻面相同的顏色，從而達(dá)到隱形的效果。通過觀察，禹澄發(fā)現(xiàn)，與平面相比，曲面的設(shè)計(jì)不僅更“隱身”，也更符合太陽焦斑的移動(dòng)變化，使得吸熱效率達(dá)到最大。
搟面杖搟出曲面翅片
說起來容易，做起來其實(shí)也并不簡單。禹澄說，在制作實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，好多材料的得來都是大費(fèi)了一番周折。就拿最基本的黑鉻翅片來說，網(wǎng)上的供應(yīng)商大多不提供零售，這可著實(shí)讓禹澄苦惱了一陣子。“就得一遍遍跟人解釋，我這是學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，軟磨硬泡多溝通幾次，對(duì)方也就賣給我了。這個(gè)項(xiàng)目做下來，與人打交道的能力倒是提高了不少。”而為了打造出自己想要的曲面，禹澄把家里的搟面杖都拿出來派上了用場(chǎng)。“那曲面都是我用搟面杖一點(diǎn)點(diǎn)搟出來的。”
備齊了材料，在將材料整合到一塊兒時(shí)，又遇上了難題。禹澄在使用熱風(fēng)槍對(duì)黑鉻翅片和熱管進(jìn)行焊接時(shí)，由于熱管具有極佳的導(dǎo)熱性，剛一加熱熱量就被導(dǎo)走，材料的熔點(diǎn)難以達(dá)到，焊接起來真是不容易;但為了在設(shè)計(jì)上達(dá)到太陽能熱水器接收端和黑鉻翅片視覺上的隱形，又必須采用焊接的方式。“最后做了一個(gè)限位器，把位置固定了之后，才稍微好焊一點(diǎn)兒。”
隱形的外表下吸熱更高效
在新的設(shè)計(jì)中，陳禹澄為本身吸熱性能良好的黑鉻翅片多加了個(gè)“雙重保險(xiǎn)”——凸柱透鏡。反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，禹澄有了新的發(fā)現(xiàn)，“如果能使面積較大的凸透鏡接收的太陽光線投射到形狀固定的面積較小的黑鉻翅片上，就可以增加整個(gè)系統(tǒng)的空載平衡溫度。”禹澄所說的這個(gè)“空載平衡溫度”指的是在整個(gè)設(shè)備吸熱與散熱達(dá)到平衡時(shí)，裝備所達(dá)到的溫度。
而通過增設(shè)平凸柱透鏡來增加單位黑鉻面積上的光照強(qiáng)度，不僅能夠提高黑鉻翅片的空載平衡溫度，還能夠增加傳熱效率。“在實(shí)驗(yàn)觀察中，我發(fā)現(xiàn)在日照強(qiáng)的時(shí)間段內(nèi)，平行陽光照射下凸透鏡下產(chǎn)生的焦斑的位置變化范圍比較小，這樣一來，其實(shí)就可以減小黑鉻翅片的面積。”黑鉻翅片的面積雖然減小，但由于依然覆蓋到了焦斑的變化范圍，因此并未減小照射在黑鉻翅片上的輻射量，反而減小了多余的黑鉻翅片的散熱量和向外輻射量，傳熱效率也因此得以提高。
