“沐浴陽光”

太陽能熱水器以其節能環保的優勢，在人們的生活中迅速普及。通過對我們的小區實地調查，我們發現有些小區物業為了保持美觀，規定住戶不能在屋頂安裝太陽能熱水器，盡管住頂樓的住戶由于有閣樓的優勢而偷偷安裝，但其他住戶仍享受不到清潔能源，另外有的小區即使可以在屋頂安裝，但屋頂面積有限，有些住戶不便安裝。

雖然廠家已經研制生產出壁掛式太陽能熱水器，但是我們發現，目前市場上的壁掛式太陽能熱水器價格非常昂貴。

我們設想，可不可利用陽臺裝太陽能熱水器呢？幾位同學圍繞著這個話題提出了一個設想：制作一個成本低廉環保實用的可壁掛于陽臺外的小型太陽能熱水器。

一、研究過程

我們對太陽能的了解僅限于生活中的使用，如何設計？如何制作？應該從何下手？我們帶著疑問找到了指導老師汪文峰，希望他能提供一些意見。汪老師肯定了我們的想法，并鼓勵我們，先要了解，才能有創新。

（1）收集資料

我們對太陽能熱水器的工作原理、安裝結構、小區住戶使用情況，以及目前存在的缺點等方面，進行了調查。

調查兵分兩路，一路是較熟悉互聯網的王伊爾與陳依然同學，通過上網查閱文字資料，整理太陽能熱水器結構、分類及原理等材料；汪孟丁和汪健明同學則去圖書館查閱相關專業知識的書籍，查找對研究制作能提供啟發、幫助的有效信息。

另一路由其余四名同學組成，他們直奔各大住宅區實地調查，詢問專業人員，向住戶征集想法……可謂收獲頗豐。

幾周時間過去了，兩路人馬聚齊后互相交流，大家對太陽能熱水器的工作原理、結構、種類等方面的知識都已經從無到有，形成初步認識。

（2）設計思路

我們對資料進行了研究和分析，很快太陽能熱水器在小組成員的熱烈討論中初具雛形。

我們了解到，傳統的太陽能熱水器主要由水箱外殼、保溫層、水箱內膽、排氣溢流孔、密封膠圈、外水箱端蓋、防塵圈、電加熱器預留孔、真空集熱管、進出水孔、漫發射板、護罩尾托、支架等部件組成。太陽能熱水器主要有真空玻璃管熱水器、平板太陽能熱水器、分體式熱水器等種類。

比較各個結構種類、熱效率高低等方面，我們決定制作真空玻璃管熱水器。

目前的真空玻璃管太陽能熱水器是由全玻璃真空集熱管、保溫水箱、支架三大部件組成。其核心集熱元件是全玻璃真空集熱管，它由兩根為同心圓的高硼硅特硬玻璃管組成，內層玻璃外壁采用磁控濺射真空鍍膜工藝鍍膜，該涂層對太陽光有選擇性吸收，其吸收比≥0.92，發射比≤0.09(80℃)，具有高吸收率和低發射率。

真空集熱管將吸收的太陽輻射轉換成熱能，利用冷水比熱水密度大，冷水下沉、熱水上升的特點，在真空管內形成冷水自上而下、熱水自下而上的自然循環，使整個水箱中的水溫逐步升高，達到一定溫度。

而在我們提出制作真空玻璃管熱水器的構想后，指導老師也給我們找來真空玻璃管，有了核心集熱元件，制作也有了頭緒。

我們在討論中基本確定了新型太陽能熱水器的設計方案，主要包括以下幾個關鍵點：

1.壁掛式：可以掛在陽臺，以及室外任何有陽光的安全地點。

2.集熱元件：真空玻璃管。

3.電加熱裝置：陰天可啟動，突破天氣局限。

在理論知識基本完備后，正趕上汪老師買回來一個小型的真空玻璃管太陽能模型，為我們提供一個“熱身”的機會！

（3）收集材料

大家分頭行動，收集材料，除核心元件外，主要利用廢舊物品，材料如下：

1.廢舊的空飲水桶（18.9L，2個）——儲水桶；

2.各規格水管、彎頭、 三通、塑料管等——連接水路；

3.木板——制作安裝真空玻璃管的架子；

4.核心元件——購來的真空玻璃管；

5.角鐵鋼材——做儲水桶架；

6.釘子、螺絲和螺母等——連接鐵架、木架子；

7.零食包裝袋——真空集熱管架外包裝兼反光材料；

8.廢舊硬紙板、塑料泡沫、舊衣物——保溫材料；

9.加熱器件——解決陰雨天無陽光的問題；

10.水溫水位顯示儀——網上購得，用于指示水箱水溫和水位。

用到的物品有臺鉆、手電鉆、曲線鋸、打孔機、熱熔膠、鋼鋸、木鋸、榔頭、起子、銼刀、剪刀、透明膠帶等。

二、制作過程

（1）制作部件

1.木框結構——支撐元件

太陽能的核心元件是真空玻璃集熱管，這就需要一個能夠把集熱管固定在一起的架子。我們在拆小太陽能熱水器模型的時候對架子已經有所了解，現在只需要按照正確尺寸將木板拼裝起來即可。

真空玻璃管十分脆弱，因此制作木架并不容易。汪陽海和汪健明主動請纓，嘗試做一回“木匠”。先畫好記號，再用臺鉆鉆出一圈小孔，再銼開圓孔，便于玻璃管套入，木板連接，固定成框（如圖1）。

2.鐵架——支撐元件

太陽能熱水器的另一個支撐元件鐵架，是用來安放保溫水箱的，放置在陽臺內側。采用角鐵材料做鐵架，需要耐心與細心?？组g的距離需要非常精準，失之毫厘，螺釘就不能穿過，不能將兩者完全連接。為了精確鉆孔，我們想到先在角鐵上涂粉筆，便于用鉛筆作醒目的記號，鉆孔也順利多了。接著，我們用螺栓螺母將鐵架組裝成型（如圖2）。

3.保溫水箱——附加電加熱裝置

接下來就是太陽能的另一“三大件”——保溫水箱。我們采用廢舊物品，即飲水機上的水桶，它的容量約18.9L ，兩桶合計可裝入自來水近38L，能滿足一人洗浴。

怎么連接呢？我們在老師的指點和幫助下，在保溫水箱的水桶頂部，用銼刀銼薄一點，使之能與50厘米直徑的彎管連接（如圖3）。

底部需要打兩個正圓的小孔，分別為加熱器安裝孔與排氣孔。排氣孔與溢流孔均位于底部正中心，加熱器安裝口在偏離中間的一側。

當自來水進入水箱時，水位逐漸升高，水箱上方的氣體從排氣口排出，水位升高到最高處時，如未能及時關閉進水閥，多余的水可以從溢流口排出，是水溫水位儀之外的另一道安全防線。

先劃線再用電鉆打開一個小口，然后用銼刀把孔修整成正圓，不斷測試口徑大小是否合適，經過一番與銼刀和塑料桶的“較量”，水箱的孔總算完成了（如圖4）。

針對太陽能的利用受天氣限制的問題，汪老師買來了加熱裝置——220V的“熱得快”。接下來，要將“熱得快”加熱器固定在水桶底，用熱熔膠固定在其中一個水箱上。

用什么來涂熱熔膠呢？陳依然同學環顧四周，突然一個激靈，目光鎖定在了桌上的一支畫筆（如圖5）！之后，我們進行了是否漏水的測驗，很幸運，水箱順利通過了測試（如圖6）。

4.管道

各個部件的制作整體完成了，接下來的工作就是用PVC材料的管道來連接，最關鍵的是真空玻璃管如何連接起來。

我們對很多規格的水管、接頭和彎頭、三通進行了嘗試，還自制或網購了密封圈，測試它們連接的效果。先用直徑40毫米的PVC三通相連并套上密封圈，再與7根玻璃管相連，結果加水后漏水。

通過改進，我們又想出直徑20毫米的三通與玻璃管連接，由于密封圈做得好，加水后，已不再漏水（如圖7）。

（2）組裝

1.真空玻璃管與木框結構的組裝

由于前面對玻璃管與管道的連接做了很多工作，使得后續比較順利，將玻璃管小心翼翼地依次伸入木框圓孔即可。

為了特別保護玻璃管底部的抽氣凸起點，我們在木框孔與玻璃管之間增設了管托，讓玻璃管底部懸空。為了增加陽光利用率，我們將同學們的零食包裝袋收集起來，剪開洗凈并晾干，作為反光材料包裝在木框上（如圖8）。

2.水箱的組裝和保溫

水箱是利用飲水機上的兩個廢舊水桶改造而成的，通過男生們的共同努力，開好了小孔，銼好了圓孔，我們就可以通過PVC管材的Φ50彎頭、Φ50三通和Φ20彎頭、Φ20三通來連接兩水桶，通過并聯得到一個容量是18.9L×2的水箱，基本能滿足一個人洗浴。

兩個水桶連接好后，并不能立即投入使用，還需進行保溫包裝。我們用廢舊硬紙板、塑料泡沫和舊衣作為保溫材料，一層層包裹。大家齊心協力，很快水箱就裹成了一個“大家伙”（如圖9）。

3.管道連接

我們在實驗室有自來水接口并朝陽的一角，架起了自制的鐵架，放上保溫水箱，并把集熱器安放在窗臺上?；焖y將自來水和兩大件連接起來（如圖10）后，一個自制壁掛太陽能熱水器就大功告成了（如圖11）。

三、工作原理

冷水比熱水密度大，我們利用冷水下沉、熱水上升的特點，在真空管內形成冷水自上而下，熱水自下而上的自然循環，使整個水箱中的水溫逐步升高，達到一定溫度（如圖12）。

我們設計的實用型壁掛式太陽能熱水器就是利用這個原理，通過水箱與集熱的分離，將集熱的真空玻璃管掛于室外，收集太陽能，而保溫水箱安放于室內，兩者通過水管靈活連接，并做好保溫措施，讓熱量不流失。工作示意圖如圖13所示。

中午時分，我們來到實驗室，滿心期待地打開水溫水位儀，“滴滴”開機聲仿佛告訴我們一切正常，10℃、20℃、30℃……水溫呈上升走勢，我們的心情也不斷升溫，看到水溫停留在43度，怎么不熱??？仔細想想，此時并沒有烈日當頭，而是時陰時晴的，氣溫不過十幾度啊，而且是中午時分，壁掛的集熱器對直射的陽光還不能反射……怎樣提高水溫，這將是我們今后繼續努力的方向。

（指導老師：汪文峰 陸 勤 王小雷）