朱建军

摘 要：将太阳能热水中热，及空调排出的热收集起来推动机器工作。

关键词：高温斯特林；低温斯特林；太阳能热水器；热压缩机；热功转化；理想气体状态方程

从能源管理角度来讲，太阳能是产生动力的可再生和不可耗尽的最重要能源之一。把太阳能转换成机械能有几种方法，其中理论上可达到最大效率的是斯特林发动机（或热气机）。斯特林发动机是一种简单的外燃机。这是罗伯特·史特灵在1816年（注：英国，专利号4081）提出的概念，他发明了不同形式和不同尺寸的发动机。和内燃机相比，这些发动机效率更高排放更低。斯特林发动机是高效的、清洁的，几乎可以用任何诸如农田废物和生物质来驱动的发动机。本文就是在此基础上，分析用目前家庭中非常成熟的技术来实现太阳能到机械能的转化。

一、设计思路

太阳能斯特林发电系统通过太阳能聚焦装置收集太阳光，再加热水，热水的热量再加热斯特林发动机中的惰性气体（一般是氦），气体受热膨胀推动活塞运动，从而带动压缩机工作。

二、解决方案

三、可行性研究

第一部分为太阳能热水器，第三部分为没有电动机拖动空调系统，这两部分目前的技术非常成熟。

此系统的难点在第二部分功能的实现，在下面的分析中会详细展开。

1.第一部分

（1）能吸收到多少太阳能

实际太阳能的利用效率一般在80%左右，如果地球表面垂直阳光方向上，每平方米面积上1小时内能吸收太阳能为2304KJ。

假设平均每天有6小时的太阳照射，则每天每平方获得的能量为13824KJ。

假如屋顶有3m×6m=18m2的吸热面积，则每天实际获得的太阳能量为：

W吸收太阳热=110592KJ

（2）需要多少能

假设夏天一个房间需一个1.5P的空调制冷，制冷功率为1KW，则一天工作10小时消耗的能量为：W空调=1KW×3600s×10h=36000KJ。

（3）同时会带出房间中多少热

（空调的能效比指制冷量跟制冷消耗的电功率比）以能效比为3.0的空调为例，这个空调耗费1000W的电能从而把3000W的室内热量“搬移”到了室外。所以能把房间内3W空调=3×1KW×3600s×10h=3×36000KJ=108000KJ能量转移到热水中。

（4）需要多少水来储存这么多热

在储热装置中的热量为：W吸收太阳热+W房间转入的热

=110592KJ+108000KJ=218592KJ

这么多的热要放到水里，水温从20℃～90℃需多少水：

因为Q=Cm△t，所以m=Q/C△t

则：m=218592KJ/（4.2KJ×70℃）=743千克

所以只要在房子下面或上面建1立方的水仓储水即可！

（5）对斯特林热功转化效率的要求

要斯特林发动机拖动空调只要效率达到：

机械效率η>W空调/W储热装置中的热（即36000KJ/218529KJ=16.5%）

2.第二部分：实际斯特林将热转化为功，能输出的功率

（1）低温斯特林

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

设室外温度为17，对应：T0=300K

热水温度为：97℃，T1=370K

大气压为：P0=1.01×105pa

受热后容器内大气压为：P1

根据理想气体状态方程：PV=nRT

容器内气体不漏气，所以nR为一常数，即

P0V0/T0=P1V1/T1

V0=2518cm3 V1=V底+V活=2783cm3

将数据代入得：1.01×105pa×2518cm3/300K=P1×2783cm3/370K

得：P1=1.116×105pa

得内外压强差为：△P=0.11×105pa

在活塞上做的功为：W=F·h=P·S·h=△P·V活=2.9J

发动机每秒转10转，则输出功率为：P功率=29W

要达到1000W，则只要将直径增加4倍既可。

如果斯特林的实际效率更低，只要加大屋顶的面积既可。

（2）欧美技术成熟的高温斯特林

斯特热机效率在典型温度范围927～1073K，转速2000rpm～4000rpm内转化效率为：30%～40%。

如果用壓缩机集热将100℃的水，即373K的温度提到883K。那么本系统的实用性将更进一步了！

在图中我们将热水仓中约95℃的热水，通过热压缩机将热量进一步集中，使温度达到883K。让斯特林工作在接近典型状态。（热压缩机输入温度、输出温度见下表）

热压缩机参数比较

只产生系统的压力被动

3.第三部分：斯特林推动空调

我们用的空调是不用电机驱动的空调，而是直接用斯特林驱动的空调，所以不用消耗电能。实际上是利用太阳能的空调。由于空调技术的历史悠久，技术成熟，所以本文不再赘述。

四、结语

对斯特林发动机来说太阳能是合适的热源。太阳能集热器作为一种特殊的热交换器通常是用来把太阳辐射转换为热能。如果一个热气机配备了密集的太阳能集热器作为热源，工作的温度会很高，并且热效率会有效提高。但是这个系统必须总是得追踪天空中太阳的方向。追踪器是一个复杂的系统，并且会浪费部分能量。平板式太阳能集热器不需要追踪系统，并且可以吸收漫射的太阳能辐射，所以具有很大的实际应用价值和广阔的应用空间。

（作者单位：浙江省温岭市箬横镇中学）