專利名稱：使用cpc式光學(xué)系統(tǒng)的箱式太陽灶集中器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的涉及一種同時是箱式和集中器的太陽灶。該太陽灶公開使用亦稱為理想或復(fù)合拋物線集中器(CPC)式的非成像式光學(xué)系統(tǒng)，在比通常的箱式太陽灶中更高的溫度和功率條件下烹制食物，但卻保留甚至改善太陽灶的工作特性，特別是可以保持太陽灶的固定和可控制烹制時間。本發(fā)明的另一個基本方面是，從材料觀點(diǎn)和從制造過程的觀點(diǎn)來看，所用的光學(xué)裝置制造成本低，并且太陽灶的外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都選用塑料。本發(fā)明是第一個可以用于大批生產(chǎn)、同時熱性能在這種類型太陽灶的限度(頻率比通常的箱式太陽灶高兩倍)內(nèi)的成本較低的方法。
該目的可通過研發(fā)一個光學(xué)系統(tǒng)來達(dá)到。該光學(xué)系統(tǒng)從優(yōu)化的進(jìn)入孔面積和內(nèi)部容積開始，其整體形成的內(nèi)反射壁是彎曲的，增大的外反光鏡是彎曲的，可以在適合烹制食品的最長的工作小時過程中，使入射的太陽能輻射按理想方式集中。所有必要的彎曲壁都是由在特殊設(shè)計的模型中模制的模制塑料制成的，而反光鏡則由薄的鋁反光板制成(在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，為0.4～0.5mm厚)，該鋁板經(jīng)過預(yù)先滾壓彎曲，并粘接在塑料上。
本發(fā)明還有其他用途，例如，用于水或其他食物(如牛奶)的巴氏消毒，和作為干燥器。
背景技術(shù)：
使用太陽能烹制食物是一個悠久的想法，已有各種實(shí)施例，其中許多是專利產(chǎn)品。
這些太陽灶分為兩個主要類型1)帶或不帶增大的反光鏡的箱式太陽灶；和2)集中器式太陽灶。
第一種太陽灶有許多不同形式，其變化是具有帶或不帶反光平坦壁的箱子，放置烹制容器的黑色底部，一個或兩個透明蓋。該蓋的作用是使太陽能輻射通過，并同時形成必要的熱障礙，以促使箱子中的溫度升高。箱子的幾何形狀(橫截面為矩形或方形、圓筒形、球形等)和它與平的固定或運(yùn)動的反光鏡的組合方式多種多樣，并且通常與太陽灶的子午線平面對稱。
第二種太陽灶通常在直接放置煮鍋的聚焦區(qū)使用拋物線反光鏡，它帶有或不帶透明的殼體，以改善集中器的熱性能。在該類太陽灶內(nèi)，有所謂的聚焦集中器，它以非?；镜姆绞綄⑻柲茌椛浼性谂胫迫萜魃希灰蟾S太陽每日明顯的運(yùn)動，永久地追蹤天空中的太陽位置；永遠(yuǎn)將該容器保持在聚焦平面和具有較小集中系數(shù)的集中器上；要求較低的跟蹤精度；圍繞該容器，使得在烹制過程中，焦點(diǎn)在反光鏡的表面上運(yùn)動。
第一種太陽灶是靜止不動的，但能量輸送至烹制容器的總效率低、功率輸出小。市場出售的最好的太陽灶是用昂貴的材料制造的，并且其特性可使至少是一些故障得以緩解。但因?yàn)檫@些太陽灶是“手工生產(chǎn)的”或最多是小批生產(chǎn)的，它們?nèi)院馨嘿F，這樣對于目前和每天使用木材(一種稀缺資源)的第三世界國家的非常大量的使用者來說，沒有什么價值。眾所周知，使用木材是造成世界范圍的砍伐森林的危險局面的主要原因之一。
第二種太陽灶的實(shí)際意義不大，因?yàn)樗筇栐钅芨櫦衅?，這通常使太陽灶很昂貴，并且很不方便，如果使用者無意中進(jìn)入聚焦區(qū)，則使用者的眼睛有遭受集中輻射的危險。
還有大量的方案，其中爐子本身與太陽能收集器無關(guān)，利用加熱的流體或借助光學(xué)裝置將能量傳遞至太陽灶上。有時，在系統(tǒng)的某個點(diǎn)上采用真空，可使熱損失減小。
這些不同的原理可以改善最普通的經(jīng)典箱式太陽灶的性能，盡管某些結(jié)構(gòu)可能非常復(fù)雜(和昂貴！)。然而，沒有一種太陽灶考慮到通過在箱子中引入可理想地解決上述問題(即在物理學(xué)的第一定律確定的范圍內(nèi))的集中的光學(xué)裝置來直接改善箱式太陽灶的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過一種新產(chǎn)品對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，該產(chǎn)品是箱式、也可以是集中器式的，帶有在箱子自身中與一個增大的外部反光鏡成一整體的非成像光學(xué)系統(tǒng)，該產(chǎn)品第一次以理想方式(在非成像或CPC式光學(xué)系統(tǒng)意義上是理想的)將上述兩種基本方法綜合起來。這種光學(xué)系統(tǒng)與上述聚焦式光學(xué)系統(tǒng)相反，不需要跟蹤太陽的每日運(yùn)動，即可使太陽能輻射集中。這就解決了上述一個不方便問題，同時可使箱式太陽灶中的功率和溫度更高，如同集中聚焦式一樣。所使用的增大的反光鏡(在蓋和側(cè)蓋的背面)也形成為整體式的，使內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)可以分享上述非成像光學(xué)系統(tǒng)的特性。只有一個可放置在一側(cè)或另一側(cè)上的側(cè)面反光鏡也是新穎設(shè)計，因?yàn)橥ǔ７桨甘欠垂忡R放在兩側(cè)上的。這樣，集中程度增大，最重要的是，實(shí)現(xiàn)自動控制陽光暴露的持續(xù)時間，因?yàn)樘栐罘胖梅较蛞沟迷诔^烹制時間后，側(cè)反光鏡可以投下陰影。
另一方面，外部結(jié)構(gòu)、箱子本身和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、反光鏡和底部吸收板的材料基片都是用成本很低的材料(如塑料)制成的。外部材料可阻止太陽能的紫外線輻射，制成內(nèi)部的塑料可耐超過200℃的溫度。證明可以生產(chǎn)這種塑料是沒有先例的，這也構(gòu)成本發(fā)明的一個相關(guān)方面。這個特性可允許-低成本地大量生產(chǎn)；-內(nèi)壁彎曲不會使總的成本嚴(yán)重反彈；-機(jī)械性能非常好，壽命長；-外形和顏色都很美觀。
具體實(shí)施例方式
為了更好地了解本發(fā)明，下面說明一些附圖，它們表示本發(fā)明的太陽灶的優(yōu)選實(shí)施例，但不是對所附權(quán)利要求書確定的本發(fā)明范圍的限制。


圖1表示本發(fā)明的箱式太陽灶的縱向剖視圖，它帶有塑料外殼1，表示用塑料3制的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，還帶有左反光鏡2′和右反光鏡2″，對稱的CPC具有典型曲率。為了控制和有效減小熱損失，在內(nèi)箱子和外箱子之間有絕熱層2。圖中表示有兩塊玻璃4(上玻璃4′和下玻璃4″)，它們是最后放置在與塑料3絕緣的硅線(silicon cord)6上的并通過硅線6粘接，該硅線可保證箱子內(nèi)部容器的粘接和密封性。圖中還表示了一個平的底部反光表面12，以及底部的黑色吸收板，加熱黑色吸收板可使太陽灶起作用。還示出了周邊的塑料遮蓋框架7，它也可保證兩個玻璃蓋固定在適當(dāng)位置。
圖2為太陽灶的橫截面圖，它除了表示已經(jīng)說明的特征以外，還表示前壁5″和后壁5′的曲率和另一個對稱的CPC的曲率。圖中還表示增大/集中的反光鏡8固定在上面的蓋9。這些表面是根據(jù)在每一天中收集的太陽能和太陽灶的固定性的優(yōu)化指標(biāo)確定的。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，橫向CPC相應(yīng)于截短至高度h(在本發(fā)明的實(shí)施例中為140mm)的48°±5°的角度，其太陽能的集中度為1.15±000$00.1；而不對稱的前面/底部CPC相應(yīng)于截短至相同高度h(在本發(fā)明的實(shí)施例中為140mm)的60°±5°至65.5°±5°的接受角度，其太陽能集中度為1.12。在這種情況下，箱子內(nèi)部的總的太陽能集中度為1.29。在該實(shí)施例中，在內(nèi)部蓋表面上的增大的反光鏡8為平的，并鉸接在一根軸上(用字母A表示)，以便能相應(yīng)地傾斜，以適應(yīng)每一天和一天期間太陽的高度。
針對收集的能量，對太陽灶的光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化表明內(nèi)壁和蓋的彎曲必需一起優(yōu)化，并考慮玻璃蓋的透射率。最后結(jié)果既不是精確地平的蓋，也不是塑形精確的CPC一部分的彎曲內(nèi)壁。然而，與上述實(shí)施例比較，這樣得到的收益非常小，因?yàn)闉榱酥圃旌唵纹鹨?，還是選擇平的反光鏡。然而，CPC型式的更一般的優(yōu)化的理想幾何形狀也是本發(fā)明的一個方面。
太陽灶的矩形形狀，即其縱向尺寸最大(如圖1中的a和a′)和橫向尺寸較小(如圖2中的b和b′)是重要的。這些尺寸的關(guān)系為a′/b′＝2±0.2，a/b＝1.8±0.2。在本發(fā)明實(shí)施例的情況下，尺寸為外箱子a×b＝850×475mm2，內(nèi)箱子a′×b′＝702.3×344.2mm2。外箱子和內(nèi)箱子的高度(如圖1中的h和h′)，從考慮光學(xué)和熱學(xué)方面進(jìn)行優(yōu)化。這樣，得到h/h′＝1.45±0.2，a′/h′＝5±0.5，在上述本發(fā)明的實(shí)施例中，h′的值為140±10mm。
從實(shí)際考慮，方形的幾何形狀更好。在這種情況下，上述太陽能收集的優(yōu)化要求內(nèi)部容積的高度較大。在這種情況下，對圖1中的尺寸a，a′，h，h′和圖2中的b和b′的優(yōu)化滿足下列關(guān)系a′/b′＝1±0.2，a/b＝0.9±0.2，a′/h′＝3±0.5，h/h′＝1.45±0.2。這樣，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，橫向CPC相應(yīng)于截短至高度h(在本發(fā)明的實(shí)施例中為180±20mm)的45°±5°角度，其太陽能集中度為1.16。在這種情況下，箱子內(nèi)部的總的太陽能集中度為1.32。在這個實(shí)施例中，在蓋9內(nèi)表面上的增大的反光鏡8為平的，并鉸接在一根軸(用字母A表示)上，以便適當(dāng)傾斜，適應(yīng)每一天和一天期間太陽的高度。在該實(shí)施例中，仍有可能采用方形的幾何形狀，以便通過增加延伸至所述反光區(qū)中的一個平的反光鏡，增加蓋的反光面積。
圖3表示放置在太陽灶的一個側(cè)面上的增大/陰影投射的側(cè)反光鏡11。該原理可允許根據(jù)一天中時間的不同和使用者的方便，將反光鏡11放置在太陽灶的一側(cè)或另一側(cè)。除了在完全固定的情況下，增加太陽能輻射收集的作用以外，這樣形成的不對稱性是本發(fā)明的一個相關(guān)方面。
圖1，2，3表示兩個透明的玻璃蓋4和箱子12的平的反光的底部。黑色吸收板放置在離該底部一定距離處。黑色鋁吸收板10放置在反光板12上，(板10厚度為2～3mm)，該反光板12也是烹制容器/食物放置的表面。作為減少熱損失的一種方法，并且作為得到對塑料3的正常工作很重要的溫差的一種方法，該吸收板放置在底部反光板12上面大約1cm的距離處。太陽灶的溫度停滯的情況(沒有任何負(fù)荷，太陽灶無意識地暴露在周圍溫度高的一天中溫度最大的太陽能輻射中的情況)是本發(fā)明另一個方面。
圖4表示本發(fā)明的另一個可能的實(shí)施例，其中，玻璃蓋4是傾斜的。當(dāng)蓋9的外反光鏡為平坦面，或一般地，當(dāng)彎曲率與所選擇的外反光鏡的曲率的優(yōu)化值相適應(yīng)時，前端內(nèi)壁2″″和后端內(nèi)壁2與不對稱的CPC相適應(yīng)。
圖5表示本發(fā)明的太陽灶的另一個實(shí)施例的總圖，其蓋9打開，表示將反光板固定在蓋內(nèi)表面上的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8′和兩個透明的玻璃蓋4。本實(shí)施例還表示了一個太陽灶內(nèi)部的前通道門14。在圖5中，前通道門14也打開，并表示CPC5″的彎曲。這個實(shí)施例還有伸縮管13′和13″，用于在每一天或一天中的某個瞬時使蓋反光鏡有適當(dāng)?shù)膬A斜度。
內(nèi)部的熱塑料結(jié)構(gòu)3的曲率可以直接放置反光表面。該反光表面構(gòu)成太陽灶2、5的內(nèi)反光壁以及也是由放在熱塑料上的平的反光板12構(gòu)成的底部。
另一個重要的方面是在灶中包括備用能源的可能性。特別是在沒有日光或日光間歇式照射的日子里，在有高壓輸電線路網(wǎng)的地方更是重要。這在工業(yè)化國家是很典型的，那里該灶是在休閑市場(露營、周末屋、假期等)中或其他情況(學(xué)校、工廠、建筑工地等)中使用的。備用能源以兩種不同的方式實(shí)現(xiàn)1)第一種和更通常的方法是用放在黑色板10下面與它固定的一個電阻，使用包括一個安全恒溫器的控制裝置。
2)第二種方法是使用光學(xué)方法，將由熾熱的電阻輻射的能量利用一組CPC式的反光鏡轉(zhuǎn)移至底板上。這在理想情況下，使損失最少，可以利用由電阻發(fā)射出來的遠(yuǎn)紅外輻射照明底板。
這第二種方法是創(chuàng)新的，它使電阻與吸收板分離，并在壽命、清潔度和太陽灶的安全方面有巨大的優(yōu)點(diǎn)。
圖6表示使用CPC式光學(xué)系統(tǒng)作為備用能源的本發(fā)明的一個實(shí)施例。
光學(xué)備用系統(tǒng)的尺寸可以最大限度地減小對入射的太陽能輻射的遮斷，使理想的CPC式光學(xué)系統(tǒng)適應(yīng)橫向尺寸m≈a′/7左右的在垂直方向的縱向尺寸n≈b′。該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計成能理想地與直徑d＝15±10mm的圓柱形發(fā)射電阻18相適應(yīng)。該光學(xué)系統(tǒng)由彎曲的反光鏡16和17與曲線16′和17′構(gòu)成。該彎曲的反光鏡16和17在它們的交點(diǎn)的切線方向上，與一個虛擬的圓柱形發(fā)射器的漸開線相當(dāng)；而曲線16′和17′則是該彎曲反光鏡的延續(xù)，它們可將從虛擬的吸光器上沿切線方向發(fā)射的射線，反射至吸收板的邊緣上。上述光學(xué)系統(tǒng)可以放置在太陽灶的左側(cè)或右側(cè)，這取決于哪一側(cè)的太陽能輻射是起主要作用的，最方便是放置在由較不活躍的彎曲壁或烹制容器投射的陰影較多的一側(cè)。
在這個光學(xué)系統(tǒng)的另一個實(shí)施例中，它所照明的吸收板的面積，可以比上面被覆蓋的和包括整塊板的面積小。在最小可能的光學(xué)系統(tǒng)的限制下，曲線16′和17′可以沒有。
備用能源的存在可提供在正常工作條件下，由太陽提供的相同的能量，以便不改變在使用時，由放在吸收板下面的電阻造成的烹制條件。其控制系統(tǒng)，在本發(fā)明中也是新型的。
箱子1的下表面有支腳，可在水平平面上支承爐子。中心腳比其他腳略短，這只是避免由于太陽灶內(nèi)的負(fù)荷太大造成底部變形太大。在本發(fā)明的本實(shí)施例中，腳是圓柱形的。
本發(fā)明的一個特點(diǎn)還在于，可動的管子可以放入腳中，管子帶有或不帶有伸縮能力(如，在本發(fā)明的情況下為塑料管)，可將太陽灶放在離地面任何所希望的高度上，不需要臺面或任何其他起這種作用的支承。
本發(fā)明的太陽灶還可以有一個太陽能鐘，鐘的刻度盤雕刻在(或用其他方法)玻璃上，并帶有一個為當(dāng)?shù)鼐暥仍O(shè)計的陰影投射守護(hù)神。
本發(fā)明的太陽灶在其蓋關(guān)閉時的矩形為兩個箱子，可以在其內(nèi)而容易地搬動烹制容器，側(cè)反光鏡，和太陽能鐘守護(hù)神等。
本發(fā)明的參考文獻(xiàn)·Nandwani S.(1993)“La Cocina/Homo Solar”Editorial Fundacion.
·Biermann E.，Grupp.M.，Palmer R.，“Solar Cooker Aceeptance in，SouthAfricaResults of a Comparative Field Test”，Solar Fnergy，Vol.66.No.6.第401～407頁，1999年。
權(quán)利要求
1.一種箱式太陽灶，即集中器，其包括在其內(nèi)部的復(fù)合拋物線集中器式的非成像光學(xué)系統(tǒng)，和整體的增大的一般為彎曲的外反光鏡；其特征在于，該太陽灶包括·殼層箱子(1)；·內(nèi)部結(jié)構(gòu)(3)，它具有左反光鏡(2′)和右反光鏡(2″)，該反光鏡具有對稱的復(fù)合拋物線集中器的典型曲率；·在內(nèi)部結(jié)構(gòu)(3)和殼層箱子(1)之間的熱絕緣區(qū)(2)，用于控制和有效減小熱損失；·包括上玻璃(4′)和下玻璃(4″)的兩塊玻璃(4)，后一塊玻璃用硅線(6)粘接，硅線使后一塊玻璃與內(nèi)部結(jié)構(gòu)(3)絕緣，保證箱子內(nèi)部容積的密封性；·平的底部反光表面(12)；·底部的黑色平板(10)，它的加熱可使太陽灶工作；·周邊遮蓋框架(7)，可保證兩塊玻璃的固定；以及·塑料蓋(9)，它與太陽灶箱子的后壁鉸接，并且在蓋上放置著增大/集中的反光鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽灶，其特征在于，太陽能吸收板(10)放置在離反光箱子底部10～15mm的距離處。
3.如權(quán)利要求1所述的太陽灶，其特征在于，外箱子和內(nèi)箱子的尺寸相應(yīng)于比值a/b＝1.8±0.2，a′/b′＝2±0.2，h/h′＝1.45±0.2。
4.如權(quán)利要求1所述的太陽灶，其特征在于，外箱子和內(nèi)箱子的尺寸相應(yīng)于比值a/b＝0.9±0.2，a′/b′＝1±0.2，a′/h′＝3±0.5，h/h′＝1.45。
5.如權(quán)利要求4所述的太陽灶，其特征在于，蓋的反光區(qū)域與位于其下面的平面鏡一起延伸。
6.如權(quán)利要求1所述的太陽灶，其特征在于，它包括由圓柱式的電阻構(gòu)成的備用能源，該電阻放在復(fù)合拋物線集中器式的光學(xué)系統(tǒng)中，其橫向尺寸約為太陽灶箱子縱向尺寸的1/7或更小，并在所有其內(nèi)部橫向尺寸上伸展，能夠以理想的方式將電阻發(fā)出的能量傳遞至整塊板或該板的較小部分上。
7.如權(quán)利要求6所述的太陽灶，其特征在于，備用能源由放置和固定在黑色吸收板(10)上和下的電阻構(gòu)成，并帶有控制和安全自動調(diào)溫器。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的太陽灶，其特征在于，外箱子(1)由耐太陽能紫外線輻射的塑料制成。
9.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的太陽灶，其特征在于，內(nèi)部結(jié)構(gòu)(3)和周邊的遮蓋框架(7)由耐200℃以下溫度的熱式塑料制成。
10.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的太陽灶，其特征在于，它具有一個帶有復(fù)合拋物線集中器式的彎曲的反光壁的前通道門(14)。
11.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的太陽灶，其特征在于，蓋(9)和其增大/集中器反光面(8)的傾斜由可作連續(xù)或大量傾斜角的伸縮臂(13′，13″)得到。
12.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的太陽灶，其特征在于，具有放置在箱子(1)的一側(cè)或另一側(cè)上的橫向增大/集中反光鏡(11)，作為保證太陽灶的固定性和控制烹制時間的裝置。
13.如權(quán)利要求1所述的太陽灶，其特征在于，玻璃蓋(4)是傾斜的，當(dāng)外蓋(9)的反光鏡為平的時，內(nèi)部前壁(2″″)和后壁(2)對應(yīng)于不對稱的復(fù)合拋物線集中器。
14.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的太陽灶，其特征在于，它可容納太陽能鐘，該鐘與橫向增大/陰影投射反光鏡(11)綜合，可自動控制烹制時間。
15.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的太陽灶-，其特征在于，它在外箱子的下表面上具有短的支腳，中心支腳較短，作為需要時補(bǔ)償太陽灶內(nèi)最后過大重量的裝置，而不使太陽灶變形。
16.如權(quán)利要求12或13所述的太陽灶，其特征在于，所述支腳可容納伸縮式或不伸縮式的可動的管，與這些管配合，可將太陽灶升高至方便烹制的高度，而不需要為此將太陽灶放在其他表面上。
17.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的太陽灶的使用，其特征在于，其可用于烹制食品。
18.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的太陽灶的使用，其特征在于，其可用于食品、特別是水或牛奶的巴氏消毒。
19.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的太陽灶的使用，其特征在于，其可用于干燥任何性質(zhì)的產(chǎn)品。
全文摘要
使用復(fù)合拋物線集中器式光學(xué)系統(tǒng)(2，2′)的集中式太陽灶，其為一個箱子(1)。在該箱子內(nèi)可安放所有附件和烹制用具。該箱子基本上由適合生產(chǎn)具有復(fù)雜曲線特性的有關(guān)光學(xué)系統(tǒng)的塑料制成。本發(fā)明包括在沒有日光的日子里，利用電能作為備用能源的形式。該太陽灶的應(yīng)用可以擴(kuò)展至烹制食物以外的其他領(lǐng)域，特別是水、牛奶和其他產(chǎn)品的巴氏消毒，以及用作干燥裝置。
文檔編號F24J2/10GK1608188SQ02809622
公開日2005年4月20日 申請日期2002年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月9日
發(fā)明者曼紐爾·佩雷拉, 喬奧·奧利維拉 申請人:太陽能股份有限公司