一種基于太陽(yáng)能的電梯機(jī)房排風(fēng)降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林峰 林蔚然

摘 要：本文主要是利用太陽(yáng)能作為熱源，達(dá)到一定溫度后啟動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，供電給電梯機(jī)房的排風(fēng)系統(tǒng)，從而降低機(jī)房溫度，達(dá)到電梯穩(wěn)定運(yùn)行的目的。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的排風(fēng)降溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單模型，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;斯特林發(fā)動(dòng)機(jī);電梯機(jī)房溫度

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

夏季電梯容易出現(xiàn)故障，主要原因之一是高溫天氣導(dǎo)致機(jī)房電器元件過(guò)熱保護(hù)或故障，解決辦法是可以加裝排風(fēng)系統(tǒng)，而斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可以在熱源的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)能源形式轉(zhuǎn)換，但應(yīng)用非常不廣泛。本文利用太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)熱源，通過(guò)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，進(jìn)而供電梯機(jī)房排風(fēng)系統(tǒng)工作，既能解決電梯機(jī)房高溫問(wèn)題，又為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)找到適合應(yīng)用的場(chǎng)景，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的目的。

1 電梯機(jī)房排風(fēng)降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)思

解決電梯機(jī)房溫度過(guò)高問(wèn)題有很多方案，比如安裝空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、外墻保溫隔熱等等，本文通過(guò)利用太陽(yáng)能這種無(wú)污染且可再生的清潔能源，通過(guò)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電與排風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，并且能夠達(dá)到自動(dòng)運(yùn)行的要求。本文在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上制作了簡(jiǎn)易模型，并多次實(shí)驗(yàn)與完善，在理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度討論這種設(shè)計(jì)的有效性。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是英國(guó)物理學(xué)家羅巴特斯特林于1816年發(fā)明的，所以命名為“斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)”。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)氣缸內(nèi)工作介質(zhì)（氫氣或氦氣）經(jīng)過(guò)冷卻、壓縮、吸熱、膨脹為一個(gè)周期的循環(huán)來(lái)輸出動(dòng)力，因此又被稱為熱氣機(jī)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其有效效率一般介于汽油機(jī)與柴油機(jī)之間。但它的運(yùn)行需要熱源作為動(dòng)力，夏季高溫正好可以提供熱源，但怎么把太陽(yáng)的熱能集中起來(lái)呢？利用太陽(yáng)能收集裝置，將陽(yáng)光集中起來(lái)，作為斯特林熱機(jī)的動(dòng)力源。

這樣，形成了電梯機(jī)房排風(fēng)降溫系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)如下：收集陽(yáng)光——驅(qū)動(dòng)斯特林熱機(jī)工作——帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作——驅(qū)動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)工作。高溫暴曬的時(shí)候，電梯機(jī)房溫度升高，正好是這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的好時(shí)機(jī)，隨著環(huán)境溫度降低的時(shí)候，機(jī)房不再需要排風(fēng)，系統(tǒng)這個(gè)時(shí)候也因?yàn)槿鄙賱?dòng)力，停止工作，這樣整個(gè)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。

2 設(shè)計(jì)方法與過(guò)程

2.1 設(shè)計(jì)方法

收集太陽(yáng)能作為熱源，驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，供電梯排風(fēng)系統(tǒng)工作。

2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

利用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)受熱可以產(chǎn)生機(jī)械能的原理，用太陽(yáng)能作為熱源，將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，驅(qū)動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)工作。

整個(gè)系統(tǒng)示意圖如下：

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、效率估算、模型制作三個(gè)部分。

2.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）收集太陽(yáng)能。收集太陽(yáng)能方式有槽式、塔式和蝶式，本設(shè)計(jì)采用了效率最高的蝶式系統(tǒng)[1]。

為了提高太陽(yáng)能收集效率，收集系統(tǒng)還要能隨太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，即自動(dòng)尋蹤，目前有光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤兩種方式[2]，后一種系統(tǒng)較復(fù)雜，本設(shè)計(jì)采用了前種，即通過(guò)光敏元件將光照強(qiáng)度和光照方位反饋到單片機(jī)中，單片機(jī)進(jìn)行處理后控制電動(dòng)推桿和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)追蹤太陽(yáng)。

（2）斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作。通過(guò)收集太陽(yáng)能并使能量匯聚到斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸，隨著氣缸溫度提高，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作。

（3）發(fā)電機(jī)工作。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作后，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

（4）排風(fēng)系統(tǒng)工作。隨著發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，供給排風(fēng)系統(tǒng)電能，排風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)始工作。

（5）自動(dòng)運(yùn)行。隨著環(huán)境溫度升高，太陽(yáng)能收集系統(tǒng)收集到的熱能足夠時(shí)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行;隨著環(huán)境溫度降低，太陽(yáng)能收集系統(tǒng)收集到的熱能不足，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行。

2.2.2 效率估算

根據(jù)相關(guān)材料介紹，目前晶體硅太陽(yáng)能電池現(xiàn)在一般的效率為14%，也就是說(shuō)一平方米能140峰瓦。太陽(yáng)能斯特林熱機(jī)效率一般為25%左右，一平方米估計(jì)250峰瓦[2]。

根據(jù)以上估算，帶動(dòng)一個(gè)0.25 kW的排風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，需要面積為1 m2的太陽(yáng)能集熱器。換算為圓形的太陽(yáng)能收集器，直徑約為。

2.2.3 模型制作

為了能夠直觀演示系統(tǒng)工作原理，本設(shè)計(jì)制作了簡(jiǎn)易的演示模型。

（1）制作太陽(yáng)能收集裝置。一開(kāi)始想用鐵皮卷制一個(gè)類似衛(wèi)星接收天線的蝶形收集裝置，后來(lái)利用了衛(wèi)星接收天線，俗稱“鍋蓋”、“小耳朵”，在小耳朵的內(nèi)表面貼了一層反光膜，用幾段鋁合金型材制作了支架如圖2所示。

光線尋蹤系統(tǒng)需要光敏元件、光線計(jì)算、單片機(jī)運(yùn)算、天線驅(qū)動(dòng)裝置等一系列復(fù)雜的東西，技術(shù)水平暫時(shí)達(dá)不到。但是理論上是應(yīng)該有光線尋蹤系統(tǒng)的，這樣可以提高熱能收集的效率[3]。

（2）斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)如圖2所示。把這個(gè)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在太陽(yáng)能收集裝置的支架上，使發(fā)動(dòng)機(jī)吸熱活塞部分基本位于太陽(yáng)能收集裝置的焦點(diǎn)上。發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)是用酒精燈代替太陽(yáng)光，自制了一個(gè)簡(jiǎn)易酒精燈。

（3）發(fā)電機(jī)。從網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)了一個(gè)成品馬達(dá)。

（4）排風(fēng)系統(tǒng)。在家中閉置的舊電腦上拆了一個(gè)風(fēng)扇。

（5）初次演示。

（6）改進(jìn)。

（7）最終模型。

（8）最終系統(tǒng)演示。

點(diǎn)燃酒精燈，火焰加熱斯特林熱機(jī)吸熱活塞，加熱約30 s用手給活塞一個(gè)推動(dòng)力，活塞開(kāi)始動(dòng)作，隨著繼續(xù)加熱，活塞動(dòng)作加快，并能保持一定的速度。這時(shí)活塞連接的馬達(dá)發(fā)電，電能供到風(fēng)扇開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng);移開(kāi)酒精燈，斯特林熱機(jī)逐漸停止工作，發(fā)電系統(tǒng)不再工作，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)演示成功。

通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)演示，利用太陽(yáng)能，通過(guò)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)可以供排風(fēng)系統(tǒng)工作，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能——機(jī)械能——電能——機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。陽(yáng)光強(qiáng)烈時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始工作，隨著光線減弱，系統(tǒng)停止工作，可以實(shí)現(xiàn)排風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。

本設(shè)計(jì)還有很多不到位的地方，比如：

（1）對(duì)光線自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行深入設(shè)計(jì)，這個(gè)系統(tǒng)據(jù)說(shuō)可以提高整個(gè)系統(tǒng)30%左右的效率，還是非?？捎^的。但是由于它需要掌握感光元件、單片機(jī)、編程等，甚至需要了解地球?qū)θ者\(yùn)行角度、時(shí)間等知識(shí)，短時(shí)間內(nèi)我還不能深刻領(lǐng)會(huì)學(xué)習(xí)到。

（2）光電轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)匹配：整個(gè)系統(tǒng)從光能——機(jī)械能——電能——機(jī)械能，各個(gè)環(huán)節(jié)都需要大量的運(yùn)算和實(shí)驗(yàn)，各元件的大小、功率等等都需要進(jìn)行匹配，而本文只是粗略的估算，大概的匹配，離真正的實(shí)物還差的很遠(yuǎn)。

（3）由于斯特林熱機(jī)工作受熱源影響，其工作性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致發(fā)電也不穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)由于時(shí)間和知識(shí)水平限制，沒(méi)有考慮穩(wěn)壓、逆變、蓄電等措施。

（4）從理論——模型——實(shí)物——工業(yè)化生產(chǎn)——應(yīng)用，這是一個(gè)非常艱難坎坷的過(guò)程，需要解決大量遇到的困難。

（5）太陽(yáng)能電池和蓄電池是直流電源，而負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是必不可少的。本設(shè)計(jì)未設(shè)置逆變器。

3 結(jié)論

在當(dāng)今能源危機(jī)和環(huán)保壓力的大背景下，人們對(duì)清潔能源的開(kāi)發(fā)與利用一直在不懈努力。太陽(yáng)能作為一種可再生的清潔能源，地域限制性小，取之不盡、用之不竭。本設(shè)計(jì)的主要目的就是利用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，使太陽(yáng)能得到充分的開(kāi)發(fā)利用，達(dá)到電梯機(jī)房通風(fēng)降溫的目的，可以尋找更多適合的場(chǎng)合推廣應(yīng)用這種技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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