耦合太陽能的中央空調廢熱斯特林發電系統

李仕嫻+盧文君+眭洋+張振迎

一、工藝原理

發電系統主要設備包括中央空調冷凝器、拋物面反射鏡、太陽能集熱器、斯特林機與發電機等。內部工質為水的銅管緊密纏繞在空調的冷凝器上，吸收冷凝器熱量，銅管一直連接到位于房屋頂部的斯特林機的熱氣缸外表面。太陽能集熱器的尾部嵌套在冷凝器與斯特林機熱氣缸中間的銅管表面，拋物面反射鏡多角度吸收太陽光，并將太陽光反射到集熱器處，集熱器表面吸收大量太陽光聚得的熱量，進一步加熱銅管內工質，以此加熱斯特林機熱氣缸，而冷氣缸外表面有散熱片幫助散熱，兩個氣缸通過回熱器與冷卻器連通，在氣缸內充有氮氣作工質，工質不會向外泄漏。

二、主要設備

（1）旋轉拋物面反射鏡。拋物面反射鏡分玻璃鏡面、陶瓷鏡面、金屬鏡面等，根據所需要的溫度不同可采用不同材質的反射鏡面。金屬鏡面可采用的是進口材料，具有極高的反射率，反射率可達95%以上，可以收集太陽能漫反射光線，并將光線進行整理聚焦，可以有效提高集熱器工作溫度，集光溫度可達100～300度。旋轉拋物面反射鏡由82面小鏡子組成，能夠聚集94%的入射陽光。反射鏡收集太陽光并將其反射到焦點的太陽能集熱器處，集熱器聚集高溫、高熱流密度的熱量，驅動斯特林機運轉，從而帶動發電機發電。

（2）太陽能集熱器。太陽能集熱器是吸收太陽輻射并將產生的熱能傳遞到傳熱介質的裝置。工作時，熱管表面吸收大量太陽光聚得的熱量，當其背面溫度達到400K左右時，附著在毛細金屬芯中的液態水開始汽化，并在蒸汽壓力的作用下流向熱管上部空間，然后高溫水蒸氣釋放大量的潛熱液化，該部分熱量將均勻的加熱與熱管相嵌套的銅管內部的工質，放熱后，液態水受重力作用回流，在集熱器最低位置處形成水液池，池中的液態水浸入緊貼集熱器受光側內表面的毛細金屬芯中，受到毛細力的作用上升，吸收熱量后再次氣化，循環，完成重力熱管式的連續工作過程。

（3）斯特林機部分。斯特林機采用α型動力連桿式斯特林機，工質是比空氣的傳熱性能好、比重輕、粘度小的氮氣。氮氣在冷氣缸中被壓縮，然后流到高溫熱氣缸中迅速加熱，蒸發的膨脹氣體為活塞運動提供動力，繼而在冷氣缸中冷卻，以此循環反復進行。回熱器為多孔介質的網狀結構，熱氣缸中的工質經膨脹后從熱端返回冷端，流經回熱器時，回熱器吸收工質的部分剩余熱量，使工質的溫度從循環最高溫下降到循環最低溫。相反，工質經壓縮后從冷端流向熱端時，吸收回熱器上次循環保存的部分熱量，工質溫度從循環最低溫升高到循環最高溫。冷卻器連接在回熱器和壓縮腔之間，通常采用管式冷卻器，工質氣體軸向流經小口徑的冷卻管束，而冷卻水在冷卻管束的外壁橫向流過，對管內流過的工質進行冷卻。

（4）氣缸、曲柄連桿、傳輪。冷氣缸處于系統循環中的低溫部分，與冷卻器相連接，熱量通過冷卻器傳遞。熱氣缸處于系統的高溫部分，不斷將熱源的熱量傳遞給工質。在膨脹過程中，有相當大一部分的工質處于熱氣缸中，所以，熱氣缸必須能夠承受高溫和高壓，且系統中大量的熱損失是由于熱氣缸散失的。冷氣缸中的冷活塞和熱氣缸中的熱活塞作一定規律的相對運動，推動工質在冷熱氣缸之間往返流動并通過一個曲柄連桿相連接。

本文提出的系統通過回收中央空調冷凝器排出的廢熱，耦合部分太陽能，用于提高廢熱品位，以此加熱斯特林發動機熱氣缸中的工質（氮氣），推動斯特林機的正常運轉，從而帶動發電機發電。實現了中央空調廢熱的回收利用，在節能、環保、生態環境等方面起到非常積極的作用，使經濟、社會和生態效益并舉，具有重要的推廣價值。

參考文獻：

[1]朱榜榮.斯特林機的優化設計及仿真研究[D].北京：華北電力大學，2008.

[2]李 鐵，張 璨，唐大偉.太陽能斯特林機用新型吸熱器的設計與模擬[J].工程熱物理學報，2010（3）.