林峰 林蔚然

摘 要：本文主要是利用太陽能作為熱源，達到一定溫度后啟動斯特林發動機，帶動發電機發電，供電給電梯機房的排風系統，從而降低機房溫度，達到電梯穩定運行的目的。經過設計的排風降溫系統簡單模型，驗證了該系統的有效性。

關鍵詞：太陽能;斯特林發動機;電梯機房溫度

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A

0 引言

夏季電梯容易出現故障，主要原因之一是高溫天氣導致機房電器元件過熱保護或故障，解決辦法是可以加裝排風系統，而斯特林發動機可以在熱源的驅動下，實現能源形式轉換，但應用非常不廣泛。本文利用太陽能作為驅動熱源，通過斯特林發動機帶動發電機工作，進而供電梯機房排風系統工作，既能解決電梯機房高溫問題，又為斯特林發動機找到適合應用的場景，達到節能、環保的目的。

1 電梯機房排風降溫系統設計構思

解決電梯機房溫度過高問題有很多方案，比如安裝空調系統、通風系統、外墻保溫隔熱等等，本文通過利用太陽能這種無污染且可再生的清潔能源，通過斯特林發動機發電與排風系統結合來解決這個問題，并且能夠達到自動運行的要求。本文在理論設計的基礎上制作了簡易模型，并多次實驗與完善，在理論和實驗兩個角度討論這種設計的有效性。

斯特林發動機是英國物理學家羅巴特斯特林于1816年發明的，所以命名為“斯特林發動機”。斯特林發動機是通過氣缸內工作介質（氫氣或氦氣）經過冷卻、壓縮、吸熱、膨脹為一個周期的循環來輸出動力，因此又被稱為熱氣機。斯特林發動機是一種外燃發動機，其有效效率一般介于汽油機與柴油機之間。但它的運行需要熱源作為動力，夏季高溫正好可以提供熱源，但怎么把太陽的熱能集中起來呢？利用太陽能收集裝置，將陽光集中起來，作為斯特林熱機的動力源。

這樣，形成了電梯機房排風降溫系統初步設計如下：收集陽光——驅動斯特林熱機工作——帶動發電機工作——驅動排風系統工作。高溫暴曬的時候，電梯機房溫度升高，正好是這個系統運行的好時機，隨著環境溫度降低的時候，機房不再需要排風，系統這個時候也因為缺少動力，停止工作，這樣整個系統還可以實現自動運行。

2 設計方法與過程

2.1 設計方法

收集太陽能作為熱源，驅動斯特林發動機工作，發動機帶動發電機發電，供電梯排風系統工作。

2.2 設計過程

利用斯特林發動機受熱可以產生機械能的原理，用太陽能作為熱源，將斯特林發動機產生的機械能轉換為電能，驅動排風系統工作。

整個系統示意圖如下：

整個系統的設計分為系統設計、效率估算、模型制作三個部分。

2.2.1 系統設計

（1）收集太陽能。收集太陽能方式有槽式、塔式和蝶式，本設計采用了效率最高的蝶式系統[1]。

為了提高太陽能收集效率，收集系統還要能隨太陽旋轉，即自動尋蹤，目前有光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤兩種方式[2]，后一種系統較復雜，本設計采用了前種，即通過光敏元件將光照強度和光照方位反饋到單片機中，單片機進行處理后控制電動推桿和電動機轉動來追蹤太陽。

（2）斯特林發動機工作。通過收集太陽能并使能量匯聚到斯特林發動機的氣缸，隨著氣缸溫度提高，發動機開始工作。

（3）發電機工作。斯特林發動機工作后，通過機械傳動，帶動發電機發電。

（4）排風系統工作。隨著發電系統發電，供給排風系統電能，排風系統開始工作。

（5）自動運行。隨著環境溫度升高，太陽能收集系統收集到的熱能足夠時，斯特林發動機開始工作，整個系統開始運行;隨著環境溫度降低，太陽能收集系統收集到的熱能不足，斯特林發動機停止工作，整個系統停止運行。

2.2.2 效率估算

根據相關材料介紹，目前晶體硅太陽能電池現在一般的效率為14%，也就是說一平方米能140峰瓦。太陽能斯特林熱機效率一般為25%左右，一平方米估計250峰瓦[2]。

根據以上估算，帶動一個0.25 kW的排風扇轉動，需要面積為1 m2的太陽能集熱器。換算為圓形的太陽能收集器，直徑約為。

2.2.3 模型制作

為了能夠直觀演示系統工作原理，本設計制作了簡易的演示模型。

（1）制作太陽能收集裝置。一開始想用鐵皮卷制一個類似衛星接收天線的蝶形收集裝置，后來利用了衛星接收天線，俗稱“鍋蓋”、“小耳朵”，在小耳朵的內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。

光線尋蹤系統需要光敏元件、光線計算、單片機運算、天線驅動裝置等一系列復雜的東西，技術水平暫時達不到。但是理論上是應該有光線尋蹤系統的，這樣可以提高熱能收集的效率[3]。

（2）斯特林發動機。斯特林發動機如圖2所示。把這個斯特林發動機安裝在太陽能收集裝置的支架上，使發動機吸熱活塞部分基本位于太陽能收集裝置的焦點上。發動機的啟動是用酒精燈代替太陽光，自制了一個簡易酒精燈。

（3）發電機。從網上購買了一個成品馬達。

（4）排風系統。在家中閉置的舊電腦上拆了一個風扇。

（5）初次演示。

（6）改進。

（7）最終模型。

（8）最終系統演示。

點燃酒精燈，火焰加熱斯特林熱機吸熱活塞，加熱約30 s用手給活塞一個推動力，活塞開始動作，隨著繼續加熱，活塞動作加快，并能保持一定的速度。這時活塞連接的馬達發電，電能供到風扇開始轉動;移開酒精燈，斯特林熱機逐漸停止工作，發電系統不再工作，風扇停止轉動，系統演示成功。

通過理論推導和實驗演示，利用太陽能，通過斯特林發動機、發電機可以供排風系統工作，實現太陽能——機械能——電能——機械能的轉變。陽光強烈時，整個系統開始工作，隨著光線減弱，系統停止工作，可以實現排風系統的自動運行。

本設計還有很多不到位的地方，比如：

（1）對光線自動尋蹤系統沒有進行深入設計，這個系統據說可以提高整個系統30%左右的效率，還是非常可觀的。但是由于它需要掌握感光元件、單片機、編程等，甚至需要了解地球對日運行角度、時間等知識，短時間內我還不能深刻領會學習到。

（2）光電轉換效率、系統匹配：整個系統從光能——機械能——電能——機械能，各個環節都需要大量的運算和實驗，各元件的大小、功率等等都需要進行匹配，而本文只是粗略的估算，大概的匹配，離真正的實物還差的很遠。

（3）由于斯特林熱機工作受熱源影響，其工作性能不穩定，導致發電也不穩定，本設計由于時間和知識水平限制，沒有考慮穩壓、逆變、蓄電等措施。

（4）從理論——模型——實物——工業化生產——應用，這是一個非常艱難坎坷的過程，需要解決大量遇到的困難。

（5）太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負載是交流負載時，逆變器是必不可少的。本設計未設置逆變器。

3 結論

在當今能源危機和環保壓力的大背景下，人們對清潔能源的開發與利用一直在不懈努力。太陽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。本設計的主要目的就是利用斯特林發動機技術，使太陽能得到充分的開發利用，達到電梯機房通風降溫的目的，可以尋找更多適合的場合推廣應用這種技術。

參考文獻：

[1]張學銘.太陽能發電技術綜合評價及應用前景探析[J].中國設備工程，2019（23）：219-220.

[2]王韜.太陽能發電技術的綜合評價及應用前景[J].電子技術與軟件工程，2019（18）：235-236.

[3]辛培裕.太陽能發電技術的綜合評價及應用前景設計[D].華北電力大學，2015.