小發明

朱建軍

摘 要：將太陽能熱水中熱，及空調排出的熱收集起來推動機器工作。

關鍵詞：高溫斯特林；低溫斯特林；太陽能熱水器；熱壓縮機；熱功轉化；理想氣體狀態方程

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

一、設計思路

太陽能斯特林發電系統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動機中的惰性氣體（一般是氦），氣體受熱膨脹推動活塞運動，從而帶動壓縮機工作。

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拖動空調系統，這兩部分目前的技術非常成熟。

此系統的難點在第二部分功能的實現，在下面的分析中會詳細展開。

1.第一部分

（1）能吸收到多少太陽能

實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小時內能吸收太陽能為2304KJ。

假設平均每天有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，則每天實際獲得的太陽能量為：

W吸收太陽熱=110592KJ

（2）需要多少能

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

（3）同時會帶出房間中多少熱

（空調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的空調為例，這個空調耗費1000W的電能從而把3000W的室內熱量“搬移”到了室外。所以能把房間內3W空調=3×1KW×3600s×10h=3×36000KJ=108000KJ能量轉移到熱水中。

（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：

因為Q=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）對斯特林熱功轉化效率的要求

要斯特林發動機拖動空調只要效率達到：

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

2.第二部分：實際斯特林將熱轉化為功，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

設室外溫度為17，對應：T0=300K

熱水溫度為：97℃，T1=370K

大氣壓為：P0=1.01×105pa

受熱后容器內大氣壓為：P1

根據理想氣體狀態方程：PV=nRT

容器內氣體不漏氣，所以nR為一常數，即

P0V0/T0=P1V1/T1

V0=2518cm3 V1=V底+V活=2783cm3

將數據代入得：1.01×105pa×2518cm3/300K=P1×2783cm3/370K

得：P1=1.116×105pa

得內外壓強差為：△P=0.11×105pa

在活塞上做的功為：W=F·h=P·S·h=△P·V活=2.9J

發動機每秒轉10轉，則輸出功率為：P功率=29W

要達到1000W，則只要將直徑增加4倍既可。

如果斯特林的實際效率更低，只要加大屋頂的面積既可。

（2）歐美技術成熟的高溫斯特林

斯特熱機效率在典型溫度范圍927～1073K，轉速2000rpm～4000rpm內轉化效率為：30%～40%。

如果用壓縮機集熱將100℃的水，即373K的溫度提到883K。那么本系統的實用性將更進一步了！

在圖中我們將熱水倉中約95℃的熱水，通過熱壓縮機將熱量進一步集中，使溫度達到883K。讓斯特林工作在接近典型狀態。（熱壓縮機輸入溫度、輸出溫度見下表）

熱壓縮機參數比較

只產生系統的壓力被動

3.第三部分：斯特林推動空調

我們用的空調是不用電機驅動的空調，而是直接用斯特林驅動的空調，所以不用消耗電能。實際上是利用太陽能的空調。由于空調技術的歷史悠久，技術成熟，所以本文不再贅述。

四、結語

對斯特林發動機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換為熱能。如果一個熱氣機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。但是這個系統必須總是得追蹤天空中太陽的方向。追蹤器是一個復雜的系統，并且會浪費部分能量。平板式太陽能集熱器不需要追蹤系統，并且可以吸收漫射的太陽能輻射，所以具有很大的實際應用價值和廣闊的應用空間。

（作者單位：浙江省溫嶺市箬橫鎮中學）