使用CPC式光学系统的 箱式太阳灶集中器 【技术领域】
本发明的涉及一种同时是箱式和集中器的太阳灶。该太阳灶公开使用亦称为理想或复合抛物线集中器(CPC)式的非成像式光学系统，在比通常的箱式太阳灶中更高的温度和功率条件下烹制食物，但却保留甚至改善太阳灶的工作特性，特别是可以保持太阳灶的固定和可控制烹制时间。本发明的另一个基本方面是，从材料观点和从制造过程的观点来看，所用的光学装置制造成本低，并且太阳灶的外壳和内部结构都选用塑料。本发明是第一个可以用于大批生产、同时热性能在这种类型太阳灶的限度(频率比通常的箱式太阳灶高两倍)内的成本较低的方法。
该目地可通过研发一个光学系统来达到。该光学系统从优化的进入孔面积和内部容积开始，其整体形成的内反射壁是弯曲的，增大的外反光镜是弯曲的，可以在适合烹制食品的最长的工作小时过程中，使入射的太阳能辐射按理想方式集中。所有必要的弯曲壁都是由在特殊设计的模型中模制的模制塑料制成的，而反光镜则由薄的铝反光板制成(在本发明的特定实施例中，为0.4～0.5mm厚)，该铝板经过预先滚压弯曲，并粘接在塑料上。
本发明还有其他用途，例如，用于水或其他食物(如牛奶)的巴氏消毒，和作为干燥器。
背景技术
使用太阳能烹制食物是一个悠久的想法，已有各种实施例，其中许多是专利产品。
这些太阳灶分为两个主要类型：
1)带或不带增大的反光镜的箱式太阳灶；和
2)集中器式太阳灶。
第一种太阳灶有许多不同形式，其变化是具有带或不带反光平坦壁的箱子，放置烹制容器的黑色底部，一个或两个透明盖。该盖的作用是使太阳能辐射通过，并同时形成必要的热障碍，以促使箱子中的温度升高。箱子的几何形状(横截面为矩形或方形、圆筒形、球形等)和它与平的固定或运动的反光镜的组合方式多种多样，并且通常与太阳灶的子午线平面对称。
第二种太阳灶通常在直接放置煮锅的聚焦区使用抛物线反光镜，它带有或不带透明的壳体，以改善集中器的热性能。在该类太阳灶内，有所谓的聚焦集中器，它以非常基本的方式将太阳能辐射集中在烹制容器上；要求跟随太阳每日明显的运动，永久地追踪天空中的太阳位置；永远将该容器保持在聚焦平面和具有较小集中系数的集中器上；要求较低的跟踪精度；围绕该容器，使得在烹制过程中，焦点在反光镜的表面上运动。
第一种太阳灶是静止不动的，但能量输送至烹制容器的总效率低、功率输出小。市场出售的最好的太阳灶是用昂贵的材料制造的，并且其特性可使至少是一些故障得以缓解。但因为这些太阳灶是“手工生产的”或最多是小批生产的，它们仍很昂贵，这样对于目前和每天使用木材(一种稀缺资源)的第三世界国家的非常大量的使用者来说，没有什么价值。众所周知，使用木材是造成世界范围的砍伐森林的危险局面的主要原因之一。
第二种太阳灶的实际意义不大，因为它要求太阳灶能跟踪集中器，这通常使太阳灶很昂贵，并且很不方便，如果使用者无意中进入聚焦区，则使用者的眼睛有遭受集中辐射的危险。
还有大量的方案，其中炉子本身与太阳能收集器无关，利用加热的流体或借助光学装置将能量传递至太阳灶上。有时，在系统的某个点上采用真空，可使热损失减小。
这些不同的原理可以改善最普通的经典箱式太阳灶的性能，尽管某些结构可能非常复杂(和昂贵！)。然而，没有一种太阳灶考虑到通过在箱子中引入可理想地解决上述问题(即在物理学的第一定律确定的范围内)的集中的光学装置来直接改善箱式太阳灶的可能性。
【发明内容】
本发明通过一种新产品对现有技术进行改进，该产品是箱式、也可以是集中器式的，带有在箱子自身中与一个增大的外部反光镜成一整体的非成像光学系统，该产品第一次以理想方式(在非成像或CPC式光学系统意义上是理想的)将上述两种基本方法综合起来。这种光学系统与上述聚焦式光学系统相反，不需要跟踪太阳的每日运动，即可使太阳能辐射集中。这就解决了上述一个不方便问题，同时可使箱式太阳灶中的功率和温度更高，如同集中聚焦式一样。所使用的增大的反光镜(在盖和侧盖的背面)也形成为整体式的，使内部光学系统可以分享上述非成像光学系统的特性。只有一个可放置在一侧或另一侧上的侧面反光镜也是新颖设计，因为通常方案是反光镜放在两侧上的。这样，集中程度增大，最重要的是，实现自动控制阳光暴露的持续时间，因为太阳灶放置方向要使得在超过烹制时间后，侧反光镜可以投下阴影。
另一方面，外部结构、箱子本身和内部结构、反光镜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。外部材料可阻止太阳能的紫外线辐射，制成内部的塑料可耐超过200℃的温度。证明可以生产这种塑料是没有先例的，这也构成本发明的一个相关方面。这个特性可允许：
-低成本地大量生产；
-内壁弯曲不会使总的成本严重反弹；
-机械性能非常好，寿命长；
-外形和颜色都很美观。
【具体实施方式】
为了更好地了解本发明，下面说明一些附图，它们表示本发明的太阳灶的优选实施例，但不是对所附权利要求书确定的本发明范围的限制。
图1表示本发明的箱式太阳灶的纵向剖视图，它带有塑料外壳1，表示用塑料3制的内部结构的侧壁，还带有左反光镜2′和右反光镜2″，对称的CPC具有典型曲率。为了控制和有效减小热损失，在内箱子和外箱子之间有绝热层2。图中表示有两块玻璃4(上玻璃4′和下玻璃4″)，它们是最后放置在与塑料3绝缘的硅线(silicon cord)6上的并通过硅线6粘接，该硅线可保证箱子内部容器的粘接和密封性。图中还表示了一个平的底部反光表面12，以及底部的黑色吸收板，加热黑色吸收板可使太阳灶起作用。还示出了周边的塑料遮盖框架7，它也可保证两个玻璃盖固定在适当位置。
图2为太阳灶的横截面图，它除了表示已经说明的特征以外，还表示前壁5″和后壁5′的曲率和另一个对称的CPC的曲率。图中还表示增大/集中的反光镜8固定在上面的盖9。这些表面是根据在每一天中收集的太阳能和太阳灶的固定性的优化指标确定的。在本发明的一个实施例中，横向CPC相应于截短至高度h(在本发明的实施例中为140mm)的48°±5°的角度，其太阳能的集中度为1.15±000$00.1；而不对称的前面/底部CPC相应于截短至相同高度h(在本发明的实施例中为140mm)的60°±5°至65.5°±5°的接受角度，其太阳能集中度为1.12。在这种情况下，箱子内部的总的太阳能集中度为1.29。在该实施例中，在内部盖表面上的增大的反光镜8为平的，并铰接在一根轴上(用字母A表示)，以便能相应地倾斜，以适应每一天和一天期间太阳的高度。
针对收集的能量，对太阳灶的光学系统的优化表明：内壁和盖的弯曲必需一起优化，并考虑玻璃盖的透射率。最后结果既不是精确地平的盖，也不是塑形精确的CPC一部分的弯曲内壁。然而，与上述实施例比较，这样得到的收益非常小，因为为了制造简单起见，还是选择平的反光镜。然而，CPC型式的更一般的优化的理想几何形状也是本发明的一个方面。
太阳灶的矩形形状，即其纵向尺寸最大(如图1中的a和a′)和横向尺寸较小(如图2中的b和b′)是重要的。这些尺寸的关系为a′/b′＝2±0.2，a/b＝1.8±0.2。在本发明实施例的情况下，尺寸为：外箱子a×b＝850×475mm2，内箱子a′×b′＝702.3×344.2mm2。外箱子和内箱子的高度(如图1中的h和h′)，从考虑光学和热学方面进行优化。这样，得到h/h′＝1.45±0.2，a′/h′＝5±0.5，在上述本发明的实施例中，h′的值为140±10mm。
从实际考虑，方形的几何形状更好。在这种情况下，上述太阳能收集的优化要求内部容积的高度较大。在这种情况下，对图1中的尺寸a，a′，h，h′和图2中的b和b′的优化满足下列关系：a′/b′＝1±0.2，a/b＝0.9±0.2，a′/h′＝3±0.5，h/h′＝1.45±0.2。这样，在本发明的一个实施例中，横向CPC相应于截短至高度h(在本发明的实施例中为180±20mm)的45°±5°角度，其太阳能集中度为1.16。在这种情况下，箱子内部的总的太阳能集中度为1.32。在这个实施例中，在盖9内表面上的增大的反光镜8为平的，并铰接在一根轴(用字母A表示)上，以便适当倾斜，适应每一天和一天期间太阳的高度。在该实施例中，仍有可能采用方形的几何形状，以便通过增加延伸至所述反光区中的一个平的反光镜，增加盖的反光面积。
图3表示放置在太阳灶的一个侧面上的增大/阴影投射的侧反光镜11。该原理可允许根据一天中时间的不同和使用者的方便，将反光镜11放置在太阳灶的一侧或另一侧。除了在完全固定的情况下，增加太阳能辐射收集的作用以外，这样形成的不对称性是本发明的一个相关方面。
图1，2，3表示两个透明的玻璃盖4和箱子12的平的反光的底部。黑色吸收板放置在离该底部一定距离处。黑色铝吸收板10放置在反光板12上，(板10厚度为2～3mm)，该反光板12也是烹制容器/食物放置的表面。作为减少热损失的一种方法，并且作为得到对塑料3的正常工作很重要的温差的一种方法，该吸收板放置在底部反光板12上面大约1cm的距离处。太阳灶的温度停滞的情况(没有任何负荷，太阳灶无意识地暴露在周围温度高的一天中温度最大的太阳能辐射中的情况)是本发明另一个方面。
图4表示本发明的另一个可能的实施例，其中，玻璃盖4是倾斜的。当盖9的外反光镜为平坦面，或一般地，当弯曲率与所选择的外反光镜的曲率的优化值相适应时，前端内壁2″″和后端内壁2与不对称的CPC相适应。
图5表示本发明的太阳灶的另一个实施例的总图，其盖9打开，表示将反光板固定在盖内表面上的内部结构8′和两个透明的玻璃盖4。本实施例还表示了一个太阳灶内部的前通道门14。在图5中，前通道门14也打开，并表示CPC5″的弯曲。这个实施例还有伸缩管13′和13″，用于在每一天或一天中的某个瞬时使盖反光镜有适当的倾斜度。
内部的热塑料结构3的曲率可以直接放置反光表面。该反光表面构成太阳灶2、5的内反光壁以及也是由放在热塑料上的平的反光板12构成的底部。
另一个重要的方面是在灶中包括备用能源的可能性。特别是在没有日光或日光间歇式照射的日子里，在有高压输电线路网的地方更是重要。这在工业化国家是很典型的，那里该灶是在休闲市场(露营、周末屋、假期等)中或其他情况(学校、工厂、建筑工地等)中使用的。备用能源以两种不同的方式实现：
1)第一种和更通常的方法是用放在黑色板10下面与它固定的一个电阻，使用包括一个安全恒温器的控制装置。
2)第二种方法是使用光学方法，将由炽热的电阻辐射的能量利用一组CPC式的反光镜转移至底板上。这在理想情况下，使损失最少，可以利用由电阻发射出来的远红外辐射照明底板。
这第二种方法是创新的，它使电阻与吸收板分离，并在寿命、清洁度和太阳灶的安全方面有巨大的优点。
图6表示使用CPC式光学系统作为备用能源的本发明的一个实施例。
光学备用系统的尺寸可以最大限度地减小对入射的太阳能辐射的遮断，使理想的CPC式光学系统适应横向尺寸m≈a′/7左右的在垂直方向的纵向尺寸n≈b′。该光学系统设计成能理想地与直径d＝15±10mm的圆柱形发射电阻18相适应。该光学系统由弯曲的反光镜16和17与曲线16′和17′构成。该弯曲的反光镜16和17在它们的交点的切线方向上，与一个虚拟的圆柱形发射器的渐开线相当；而曲线16′和17′则是该弯曲反光镜的延续，它们可将从虚拟的吸光器上沿切线方向发射的射线，反射至吸收板的边缘上。上述光学系统可以放置在太阳灶的左侧或右侧，这取决于哪一侧的太阳能辐射是起主要作用的，最方便是放置在由较不活跃的弯曲壁或烹制容器投射的阴影较多的一侧。
在这个光学系统的另一个实施例中，它所照明的吸收板的面积，可以比上面被覆盖的和包括整块板的面积小。在最小可能的光学系统的限制下，曲线16′和17′可以没有。
备用能源的存在可提供在正常工作条件下，由太阳提供的相同的能量，以便不改变在使用时，由放在吸收板下面的电阻造成的烹制条件。其控制系统，在本发明中也是新型的。
箱子1的下表面有支脚，可在水平平面上支承炉子。中心脚比其他脚略短，这只是避免由于太阳灶内的负荷太大造成底部变形太大。在本发明的本实施例中，脚是圆柱形的。
本发明的一个特点还在于，可动的管子可以放入脚中，管子带有或不带有伸缩能力(如，在本发明的情况下为塑料管)，可将太阳灶放在离地面任何所希望的高度上，不需要台面或任何其他起这种作用的支承。
本发明的太阳灶还可以有一个太阳能钟，钟的刻度盘雕刻在(或用其他方法)玻璃上，并带有一个为当地纬度设计的阴影投射守护神。
本发明的太阳灶在其盖关闭时的矩形为两个箱子，可以在其内而容易地搬动烹制容器，侧反光镜，和太阳能钟守护神等。
本发明的参考文献
·Nandwani S.(1993)：“La Cocina/Homo Solar”Editorial Fundacion.
·Biermann E.，Grupp.M.，Palmer R.，“Solar Cooker Aceeptance in，SouthAfrica：Results of a Comparative Field Test”，Solar Fnergy，Vol.66.No.6.第401～407页，1999年。