小發(fā)明

朱建軍

摘 要：將太陽能熱水中熱，及空調(diào)排出的熱收集起來推動機(jī)器工作。

關(guān)鍵詞：高溫斯特林；低溫斯特林；太陽能熱水器；熱壓縮機(jī)；熱功轉(zhuǎn)化；理想氣體狀態(tài)方程

從能源管理角度來講，太陽能是產(chǎn)生動力的可再生和不可耗盡的最重要能源之一。把太陽能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能有幾種方法，其中理論上可達(dá)到最大效率的是斯特林發(fā)動機(jī)（或熱氣機(jī)）。斯特林發(fā)動機(jī)是一種簡單的外燃機(jī)。這是羅伯特·史特靈在1816年（注：英國，專利號4081）提出的概念，他發(fā)明了不同形式和不同尺寸的發(fā)動機(jī)。和內(nèi)燃機(jī)相比，這些發(fā)動機(jī)效率更高排放更低。斯特林發(fā)動機(jī)是高效的、清潔的，幾乎可以用任何諸如農(nóng)田廢物和生物質(zhì)來驅(qū)動的發(fā)動機(jī)。本文就是在此基礎(chǔ)上，分析用目前家庭中非常成熟的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)太陽能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。

一、設(shè)計(jì)思路

太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)通過太陽能聚焦裝置收集太陽光，再加熱水，熱水的熱量再加熱斯特林發(fā)動機(jī)中的惰性氣體（一般是氦），氣體受熱膨脹推動活塞運(yùn)動，從而帶動壓縮機(jī)工作。

二、解決方案

三、可行性研究

第一部分為太陽能熱水器，第三部分為沒有電動機(jī)拖動空調(diào)系統(tǒng)，這兩部分目前的技術(shù)非常成熟。

此系統(tǒng)的難點(diǎn)在第二部分功能的實(shí)現(xiàn)，在下面的分析中會詳細(xì)展開。

1.第一部分

（1）能吸收到多少太陽能

實(shí)際太陽能的利用效率一般在80%左右，如果地球表面垂直陽光方向上，每平方米面積上1小時內(nèi)能吸收太陽能為2304KJ。

假設(shè)平均每天有6小時的太陽照射，則每天每平方獲得的能量為13824KJ。

假如屋頂有3m×6m=18m2的吸熱面積，則每天實(shí)際獲得的太陽能量為：

W吸收太陽熱=110592KJ

（2）需要多少能

假設(shè)夏天一個房間需一個1.5P的空調(diào)制冷，制冷功率為1KW，則一天工作10小時消耗的能量為：W空調(diào)=1KW×3600s×10h=36000KJ。

（3）同時會帶出房間中多少熱

（空調(diào)的能效比指制冷量跟制冷消耗的電功率比）以能效比為3.0的空調(diào)為例，這個空調(diào)耗費(fèi)1000W的電能從而把3000W的室內(nèi)熱量“搬移”到了室外。所以能把房間內(nèi)3W空調(diào)=3×1KW×3600s×10h=3×36000KJ=108000KJ能量轉(zhuǎn)移到熱水中。

（4）需要多少水來儲存這么多熱

在儲熱裝置中的熱量為：W吸收太陽熱+W房間轉(zhuǎn)入的熱

=110592KJ+108000KJ=218592KJ

這么多的熱要放到水里，水溫從20℃～90℃需多少水：

因?yàn)镼=Cm△t，所以m=Q/C△t

則：m=218592KJ/（4.2KJ×70℃）=743千克

所以只要在房子下面或上面建1立方的水倉儲水即可！

（5）對斯特林熱功轉(zhuǎn)化效率的要求

要斯特林發(fā)動機(jī)拖動空調(diào)只要效率達(dá)到：

機(jī)械效率η>W空調(diào)/W儲熱裝置中的熱（即36000KJ/218529KJ=16.5%）

2.第二部分：實(shí)際斯特林將熱轉(zhuǎn)化為功，能輸出的功率

（1）低溫斯特林

V活=π（）2·h=3.14×（3.25cm）2×8cm=265.33cm3

V底=π（）·h底=3.14×（13.5cm）2×4.4cm=2518.0cm3

設(shè)室外溫度為17，對應(yīng)：T0=300K

熱水溫度為：97℃，T1=370K

大氣壓為：P0=1.01×105pa

受熱后容器內(nèi)大氣壓為：P1

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：PV=nRT

容器內(nèi)氣體不漏氣，所以nR為一常數(shù)，即

P0V0/T0=P1V1/T1

V0=2518cm3 V1=V底+V活=2783cm3

將數(shù)據(jù)代入得：1.01×105pa×2518cm3/300K=P1×2783cm3/370K

得：P1=1.116×105pa

得內(nèi)外壓強(qiáng)差為：△P=0.11×105pa

在活塞上做的功為：W=F·h=P·S·h=△P·V活=2.9J

發(fā)動機(jī)每秒轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)，則輸出功率為：P功率=29W

要達(dá)到1000W，則只要將直徑增加4倍既可。

如果斯特林的實(shí)際效率更低，只要加大屋頂?shù)拿娣e既可。

（2）歐美技術(shù)成熟的高溫斯特林

斯特?zé)釞C(jī)效率在典型溫度范圍927～1073K，轉(zhuǎn)速2000rpm～4000rpm內(nèi)轉(zhuǎn)化效率為：30%～40%。

如果用壓縮機(jī)集熱將100℃的水，即373K的溫度提到883K。那么本系統(tǒng)的實(shí)用性將更進(jìn)一步了！

在圖中我們將熱水倉中約95℃的熱水，通過熱壓縮機(jī)將熱量進(jìn)一步集中，使溫度達(dá)到883K。讓斯特林工作在接近典型狀態(tài)。（熱壓縮機(jī)輸入溫度、輸出溫度見下表）

熱壓縮機(jī)參數(shù)比較

只產(chǎn)生系統(tǒng)的壓力被動

3.第三部分：斯特林推動空調(diào)

我們用的空調(diào)是不用電機(jī)驅(qū)動的空調(diào)，而是直接用斯特林驅(qū)動的空調(diào)，所以不用消耗電能。實(shí)際上是利用太陽能的空調(diào)。由于空調(diào)技術(shù)的歷史悠久，技術(shù)成熟，所以本文不再贅述。

四、結(jié)語

對斯特林發(fā)動機(jī)來說太陽能是合適的熱源。太陽能集熱器作為一種特殊的熱交換器通常是用來把太陽輻射轉(zhuǎn)換為熱能。如果一個熱氣機(jī)配備了密集的太陽能集熱器作為熱源，工作的溫度會很高，并且熱效率會有效提高。但是這個系統(tǒng)必須總是得追蹤天空中太陽的方向。追蹤器是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，并且會浪費(fèi)部分能量。平板式太陽能集熱器不需要追蹤系統(tǒng)，并且可以吸收漫射的太陽能輻射，所以具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用空間。

（作者單位：浙江省溫嶺市箬橫鎮(zhèn)中學(xué)）