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摘 要：本文基于传统的太阳能集热器进行改进，根据光传感器对光强的感应及根据不同时刻不同经纬度地区对太阳位置的自动定位两种方法，实现了太阳能电池板和太阳能灶对太阳的自动追踪，并且通过太阳能电池板对蓄电池充电，实现系统自供电，最大程度的利用太阳能，达到了节能减排的目的，具有巨大的市场推广前景。
关键词：太阳能电池板，太阳能灶，自动追踪，自供电
1 前言
在全球能源形势紧张、严重威胁经济发展和人们生活的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。我国拥有非常丰富的太阳能资源，这是太阳能产业发展最为有利的外在客观条件。目前太阳能以其安全、清洁等显著优势使我国太阳能行业步入高速发展时期，市场需求率日趋增加，特别是农村市场潜力巨大，成为关注的重点。
太阳能灶是利用太阳能辐射，通过聚光获取热量，进行炊事烹饪食物的一种装置。它无需任何燃料，无任何污染，正常使用时与煤气灶速度近乎一致。传统的太阳能灶已具备普遍性，目前自动追踪式太阳能灶的仍处于研究阶段，并没有大面积推广，其主要原因是价格昂贵、调节复杂、不便于运输组装等。本文将太阳能灶进行优化，提出一种自动追踪式太阳能集热器，便于运输组装，控制简单，批量生成成本降低。
2 技术方案
2.1 产品类型
从收集太阳辐射的方式上讲，太阳能灶分为“聚光式太阳能灶”和“热箱式太阳能灶”两大类。其中以反射聚光式太阳能灶最为实用，本文选用的为这种类型。
目前使用较多的是直轴式和偏轴式两类支撑灶体，其中直轴式设计制造方便。本文产品的适用对象为多为农村与户外，所以选择直轴式支撑，成本低且操作简单，便于在目标群体中大面积推广。
2.2 太阳能灶反射膜
传统的玻璃片反射效率低，制作过程繁杂，本文选用新型的真空镀铝膜，它制作简单，具有优良的耐折性和良好的韧性，很少出现针孔和裂口，对气体、水蒸汽、光线等的阻隔性提高，对于应付各种恶劣天气具有良好的效果，具有极佳的金属光泽，光反射率可达97%。
2.3 灶体构造
2.3.1 反光原理
太阳能灶灶体的表面形状为旋转抛物面凹面，旋转抛物面是由抛物线绕对称轴旋转180度而成。由于太阳光基本上属于平行光线，所以当太阳能灶的（旋转抛物面的）主光轴指向太阳时，平行的太阳光线入射到旋转抛物面表面，经过反光材料的反射，这些反射光线都从它的焦点处通过，在这里形成太阳光线的高密集区，抛物面的焦点就在它的主光轴上。灶体制作成抛物线形，利用公式 ，可计算出焦距，就是锅架的位置。
2.3.2采光面积的确定
采光面积只在正常使用时反射曲面在垂直于入射光线平面的投影面积，其确定公式估算法：A=0.0014N/（I.n）式中A为采光面积，N为所需功率，I为太阳的直射辐射强度，n为太阳能灶煮水热效率，为了太阳能灶有较大的功率，人们总希望有较大的采光面积，但在A势必会增加沿材料和灶重，支撑部位会相应加固，增加了太阳能灶的造价，这座和运输困难。因此，A的确定要考虑人口、灶壳材料、灶的结构等因素，进行合理选择。目前，供农村家庭使用的太阳能灶采光面积一般在2～2.5 m2。
2.3.3太阳能灶最小调节角度的选择
我国北方地区一般北纬 左右，冬至日太阳最大高度角为 。若想冬季使用，必须把灶最小高度角选得小一点，但冬季环境温度低，热损失大，所以冬季使用时间不宜过长。一般以2h为宜。另外，灶形确定后，如果最小高度角选得过小，会增加操作高度和操作困难。太阳能灶的最小高度角选在 ～ 为宜。
2.3.4太阳能灶的俯仰跟踪范围
太阳能灶最低可利用高度角选为23 ，则太阳能灶俯仰跟踪的角度范围为： ，这样才能保证采光面在太阳高度角最大与最小时，均能与阳光垂直。
2.4短途移动
在灶体下端的支撑机构安装滚轮，使用时滚轮收回，当需要移动时放下滚轮，可向各个方向移动。
2.5光传感器自动追踪
通过在灶体两侧对称布置光传感器来探测定位太阳光的强度，通过转换模块使光信号转换为电信号，传至单片机识别出太阳的位置，进而做出反应，电机驱动模块驱动直流电机带动灶体左右转动。
2.6温度控制
在灶体中间布置温度传感器实时监测灶体中间的温度，根据用户要求使太阳能灶定位在所需温度的位置。当温度过高时，可实现鸣叫报警功能。同时，由于天气原因导致温度不足以达到预定温度时，也会自动提醒。
2.7不同经纬度不同地区太阳方位定位
依据用户的地理位置自动查询相应经纬度的气候条件、一整天太阳相对移动规律，编制二十四小时太阳位置定位程序，可以每隔一段时间使灶体自动转动相应水平角度和俯仰角，与传感器相配合，提高感应准确性，保持太阳能电池板和太阳能灶始终垂直太阳，有效利用太阳能。
2.8蓄电池充电
太阳能电池板选用硅太阳能电池板，参数为：太阳光垂直照射时19.5V，电流为500mA，功率为10W左右，太阳光角度变化时电压范围为15～20V，给12V蓄电池充电满足要求。可以实现整个太阳能灶自供电。
3.材料选择
灶体选用碳钢板，由六片碳钢板连接而成，碳钢板韧性好，强度高，风吹雨打都不容易变形，轻便，连接处可用螺栓，拆卸方便。与传统的水泥相对轻便很多，干净清洁美观。
反光材料选用真空镀铝膜，分别将六块碳钢板都贴上真空镀铝薄膜，其相对于玻璃片、铝材等，它大大减少了材料用量，节省了成本，容易获得，对印刷、复合等后加工具有良好的適应性。在性能上，反射率高，对光的阻隔性好，太阳能利用率更高。易购买，破损后可方便修复。
支撑和调整机构选用一般的常用钢管等材料，制作简单，只需切割焊接，牢固耐用。自然环境下抗腐蚀性好，延长了使用寿命，也提高了恶劣环境的适应性，适合多环境，多地区，多气候特点使用。
4.应用前景分析
太阳能灶潜在市场很大，是政府大力倡导扶持的绿色环保能源免税项目，国家每年提供大量资金支持广大农村安装太阳能灶。尤其近年来，国家将开发利用新能源和可再生能源放到国家能源建设开发战略的优先地位，《可再生能源法》也早于2006年1月1日起正式实施，这为发展太阳能产业提供了巨大的政策支持。
本文在产品的材料和操作上进行了很大的改进，实现高效、低碳、智能。首先，整个太阳能灶采用碳钢板、角钢和钢管等材料，装配简单，运输方便，使用寿命长；其次，在整个太阳能灶表面采用真空镀铝膜，反射率高达97%，同时高的光阻隔性，大大提高太阳能利用率，较传统太阳能灶效率提高近20%，每年可多节省7.5吨煤；最后，通过传感器可以实现对太阳的自动追踪，兼有温控和定位功能，用太阳能电池供电，每时每刻最大效率利用太阳能。
太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电。如果可以利用太阳能灶所产生的热能进行供电，那太阳能灶不再仅仅只是做饭的工具，更可以成为家庭小型电源供电系统，扩大了太阳能的使用范围，实现太阳能最大程度利用，每分每秒为家庭提供最清洁的能源。
参考文献
[1] 高崇杰.聚光太阳能灶在我国不同地区经济效益的评价与分析[J].太阳能学报，1984
[2] 王炳忠，汤洁.几种太阳位置计算方法的比较研究[J].太阳能学报，2001，04
[3] 徐文灿，袁俊，严伟，杨庆.太阳能自动跟踪系统的探索与实验[J].物理实验，2003
[4] 朱方园，韩满林，丰济济.太阳能发电用太阳跟踪器的设计[J].控制工程，2009
（作者单位：中机中电设计研究院有限公司）
关键词：太阳能电池板，太阳能灶，自动追踪，自供电
1 前言
在全球能源形势紧张、严重威胁经济发展和人们生活的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。我国拥有非常丰富的太阳能资源，这是太阳能产业发展最为有利的外在客观条件。目前太阳能以其安全、清洁等显著优势使我国太阳能行业步入高速发展时期，市场需求率日趋增加，特别是农村市场潜力巨大，成为关注的重点。
太阳能灶是利用太阳能辐射，通过聚光获取热量，进行炊事烹饪食物的一种装置。它无需任何燃料，无任何污染，正常使用时与煤气灶速度近乎一致。传统的太阳能灶已具备普遍性，目前自动追踪式太阳能灶的仍处于研究阶段，并没有大面积推广，其主要原因是价格昂贵、调节复杂、不便于运输组装等。本文将太阳能灶进行优化，提出一种自动追踪式太阳能集热器，便于运输组装，控制简单，批量生成成本降低。
2 技术方案
2.1 产品类型
从收集太阳辐射的方式上讲，太阳能灶分为“聚光式太阳能灶”和“热箱式太阳能灶”两大类。其中以反射聚光式太阳能灶最为实用，本文选用的为这种类型。
目前使用较多的是直轴式和偏轴式两类支撑灶体，其中直轴式设计制造方便。本文产品的适用对象为多为农村与户外，所以选择直轴式支撑，成本低且操作简单，便于在目标群体中大面积推广。
2.2 太阳能灶反射膜
传统的玻璃片反射效率低，制作过程繁杂，本文选用新型的真空镀铝膜，它制作简单，具有优良的耐折性和良好的韧性，很少出现针孔和裂口，对气体、水蒸汽、光线等的阻隔性提高，对于应付各种恶劣天气具有良好的效果，具有极佳的金属光泽，光反射率可达97%。
2.3 灶体构造
2.3.1 反光原理
太阳能灶灶体的表面形状为旋转抛物面凹面，旋转抛物面是由抛物线绕对称轴旋转180度而成。由于太阳光基本上属于平行光线，所以当太阳能灶的（旋转抛物面的）主光轴指向太阳时，平行的太阳光线入射到旋转抛物面表面，经过反光材料的反射，这些反射光线都从它的焦点处通过，在这里形成太阳光线的高密集区，抛物面的焦点就在它的主光轴上。灶体制作成抛物线形，利用公式 ，可计算出焦距，就是锅架的位置。
2.3.2采光面积的确定
采光面积只在正常使用时反射曲面在垂直于入射光线平面的投影面积，其确定公式估算法：A=0.0014N/（I.n）式中A为采光面积，N为所需功率，I为太阳的直射辐射强度，n为太阳能灶煮水热效率，为了太阳能灶有较大的功率，人们总希望有较大的采光面积，但在A势必会增加沿材料和灶重，支撑部位会相应加固，增加了太阳能灶的造价，这座和运输困难。因此，A的确定要考虑人口、灶壳材料、灶的结构等因素，进行合理选择。目前，供农村家庭使用的太阳能灶采光面积一般在2～2.5 m2。
2.3.3太阳能灶最小调节角度的选择
我国北方地区一般北纬 左右，冬至日太阳最大高度角为 。若想冬季使用，必须把灶最小高度角选得小一点，但冬季环境温度低，热损失大，所以冬季使用时间不宜过长。一般以2h为宜。另外，灶形确定后，如果最小高度角选得过小，会增加操作高度和操作困难。太阳能灶的最小高度角选在 ～ 为宜。
2.3.4太阳能灶的俯仰跟踪范围
太阳能灶最低可利用高度角选为23 ，则太阳能灶俯仰跟踪的角度范围为： ，这样才能保证采光面在太阳高度角最大与最小时，均能与阳光垂直。
2.4短途移动
在灶体下端的支撑机构安装滚轮，使用时滚轮收回，当需要移动时放下滚轮，可向各个方向移动。
2.5光传感器自动追踪
通过在灶体两侧对称布置光传感器来探测定位太阳光的强度，通过转换模块使光信号转换为电信号，传至单片机识别出太阳的位置，进而做出反应，电机驱动模块驱动直流电机带动灶体左右转动。
2.6温度控制
在灶体中间布置温度传感器实时监测灶体中间的温度，根据用户要求使太阳能灶定位在所需温度的位置。当温度过高时，可实现鸣叫报警功能。同时，由于天气原因导致温度不足以达到预定温度时，也会自动提醒。
2.7不同经纬度不同地区太阳方位定位
依据用户的地理位置自动查询相应经纬度的气候条件、一整天太阳相对移动规律，编制二十四小时太阳位置定位程序，可以每隔一段时间使灶体自动转动相应水平角度和俯仰角，与传感器相配合，提高感应准确性，保持太阳能电池板和太阳能灶始终垂直太阳，有效利用太阳能。
2.8蓄电池充电
太阳能电池板选用硅太阳能电池板，参数为：太阳光垂直照射时19.5V，电流为500mA，功率为10W左右，太阳光角度变化时电压范围为15～20V，给12V蓄电池充电满足要求。可以实现整个太阳能灶自供电。
3.材料选择
灶体选用碳钢板，由六片碳钢板连接而成，碳钢板韧性好，强度高，风吹雨打都不容易变形，轻便，连接处可用螺栓，拆卸方便。与传统的水泥相对轻便很多，干净清洁美观。
反光材料选用真空镀铝膜，分别将六块碳钢板都贴上真空镀铝薄膜，其相对于玻璃片、铝材等，它大大减少了材料用量，节省了成本，容易获得，对印刷、复合等后加工具有良好的適应性。在性能上，反射率高，对光的阻隔性好，太阳能利用率更高。易购买，破损后可方便修复。
支撑和调整机构选用一般的常用钢管等材料，制作简单，只需切割焊接，牢固耐用。自然环境下抗腐蚀性好，延长了使用寿命，也提高了恶劣环境的适应性，适合多环境，多地区，多气候特点使用。
4.应用前景分析
太阳能灶潜在市场很大，是政府大力倡导扶持的绿色环保能源免税项目，国家每年提供大量资金支持广大农村安装太阳能灶。尤其近年来，国家将开发利用新能源和可再生能源放到国家能源建设开发战略的优先地位，《可再生能源法》也早于2006年1月1日起正式实施，这为发展太阳能产业提供了巨大的政策支持。
本文在产品的材料和操作上进行了很大的改进，实现高效、低碳、智能。首先，整个太阳能灶采用碳钢板、角钢和钢管等材料，装配简单，运输方便，使用寿命长；其次，在整个太阳能灶表面采用真空镀铝膜，反射率高达97%，同时高的光阻隔性，大大提高太阳能利用率，较传统太阳能灶效率提高近20%，每年可多节省7.5吨煤；最后，通过传感器可以实现对太阳的自动追踪，兼有温控和定位功能，用太阳能电池供电，每时每刻最大效率利用太阳能。
太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电。如果可以利用太阳能灶所产生的热能进行供电，那太阳能灶不再仅仅只是做饭的工具，更可以成为家庭小型电源供电系统，扩大了太阳能的使用范围，实现太阳能最大程度利用，每分每秒为家庭提供最清洁的能源。
参考文献
[1] 高崇杰.聚光太阳能灶在我国不同地区经济效益的评价与分析[J].太阳能学报，1984
[2] 王炳忠，汤洁.几种太阳位置计算方法的比较研究[J].太阳能学报，2001，04
[3] 徐文灿，袁俊，严伟，杨庆.太阳能自动跟踪系统的探索与实验[J].物理实验，2003
[4] 朱方园，韩满林，丰济济.太阳能发电用太阳跟踪器的设计[J].控制工程，2009
（作者单位：中机中电设计研究院有限公司）