如今，太陽(yáng)能熱水器在農(nóng)村地區(qū)已經(jīng)是戶戶可見(jiàn)，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(chéng)用戶。然而傳統(tǒng)的太陽(yáng)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(yáng)能熱水器安裝起來(lái)有些縮手縮腳，無(wú)法滿足每個(gè)樓層用戶的需求。
來(lái)自北京景山學(xué)校的高三學(xué)生陳禹澄，從太陽(yáng)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(yáng)能熱水器”，不僅好看，高效，而且可在自家陽(yáng)臺(tái)自行安裝。他憑借此項(xiàng)目獲得第30屆全國(guó)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(guó)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(yáng)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(jiàn)”。陳禹澄說(shuō)，他的發(fā)明是通過(guò)讓太陽(yáng)能接收端的顏色、紋理與所裝的建筑保持一致，使得太陽(yáng)能熱水器與建筑物外立面完美融合，從而實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)上的隱形。
陳禹澄介紹說(shuō)，太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能接收端的材料已經(jīng)是無(wú)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(yáng)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(yáng)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(guò)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(yáng)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(shuō)起來(lái)容易，做起來(lái)其實(shí)也并不簡(jiǎn)單。禹澄說(shuō)，在制作實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，好多材料的得來(lái)都是大費(fèi)了一番周折。就拿最基本的黑鉻翅片來(lái)說(shuō)，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(lái)，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(lái)派上了用場(chǎng)。“那曲面都是我用搟面杖一點(diǎn)點(diǎn)搟出來(lái)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(lái)真是不容易;但為了在設(shè)計(jì)上達(dá)到太陽(yáng)能熱水器接收端和黑鉻翅片視覺(jué)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(yáng)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(shuō)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(guò)增設(shè)平凸柱透鏡來(lái)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(yáng)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(lái)，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。
