林峰 林蔚然

摘 要：本文主要是利用太阳能作为热源，达到一定温度后启动斯特林发动机，带动发电机发电，供电给电梯机房的排风系统，从而降低机房温度，达到电梯穩定运行的目的。经过设计的排风降温系统简单模型，验证了该系统的有效性。

关键词：太阳能;斯特林发动机;电梯机房温度

中图分类号：TM615 文献标识码：A

0 引言

夏季电梯容易出现故障，主要原因之一是高温天气导致机房电器元件过热保护或故障，解决办法是可以加装排风系统，而斯特林发动机可以在热源的驱动下，实现能源形式转换，但应用非常不广泛。本文利用太阳能作为驱动热源，通过斯特林发动机带动发电机工作，进而供电梯机房排风系统工作，既能解决电梯机房高温问题，又为斯特林发动机找到适合应用的场景，达到节能、环保的目的。

1 电梯机房排风降温系统设计构思

解决电梯机房温度过高问题有很多方案，比如安装空调系统、通风系统、外墙保温隔热等等，本文通过利用太阳能这种无污染且可再生的清洁能源，通过斯特林发动机发电与排风系统结合来解决这个问题，并且能够达到自动运行的要求。本文在理论设计的基础上制作了简易模型，并多次实验与完善，在理论和实验两个角度讨论这种设计的有效性。

斯特林发动机是英国物理学家罗巴特斯特林于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”。斯特林发动机是通过气缸内工作介质（氢气或氦气）经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，因此又被称为热气机。斯特林发动机是一种外燃发动机，其有效效率一般介于汽油机与柴油机之间。但它的运行需要热源作为动力，夏季高温正好可以提供热源，但怎么把太阳的热能集中起来呢？利用太阳能收集装置，将阳光集中起来，作为斯特林热机的动力源。

这样，形成了电梯机房排风降温系统初步设计如下：收集阳光——驱动斯特林热机工作——带动发电机工作——驱动排风系统工作。高温暴晒的时候，电梯机房温度升高，正好是这个系统运行的好时机，随着环境温度降低的时候，机房不再需要排风，系统这个时候也因为缺少动力，停止工作，这样整个系统还可以实现自动运行。

2 设计方法与过程

2.1 设计方法

收集太阳能作为热源，驱动斯特林发动机工作，发动机带动发电机发电，供电梯排风系统工作。

2.2 设计过程

利用斯特林发动机受热可以产生机械能的原理，用太阳能作为热源，将斯特林发动机产生的机械能转换为电能，驱动排风系统工作。

整个系统示意图如下：

整个系统的设计分为系统设计、效率估算、模型制作三个部分。

2.2.1 系统设计

（1）收集太阳能。收集太阳能方式有槽式、塔式和蝶式，本设计采用了效率最高的蝶式系统[1]。

为了提高太阳能收集效率，收集系统还要能随太阳旋转，即自动寻踪，目前有光电跟踪和视日运动轨迹跟踪两种方式[2]，后一种系统较复杂，本设计采用了前种，即通过光敏元件将光照强度和光照方位反馈到单片机中，单片机进行处理后控制电动推杆和电动机转动来追踪太阳。

（2）斯特林发动机工作。通过收集太阳能并使能量汇聚到斯特林发动机的气缸，随着气缸温度提高，发动机开始工作。

（3）发电机工作。斯特林发动机工作后，通过机械传动，带动发电机发电。

（4）排风系统工作。随着发电系统发电，供给排风系统电能，排风系统开始工作。

（5）自动运行。随着环境温度升高，太阳能收集系统收集到的热能足够时，斯特林发动机开始工作，整个系统开始运行;随着环境温度降低，太阳能收集系统收集到的热能不足，斯特林发动机停止工作，整个系统停止运行。

2.2.2 效率估算

根据相关材料介绍，目前晶体硅太阳能电池现在一般的效率为14%，也就是说一平方米能140峰瓦。太阳能斯特林热机效率一般为25%左右，一平方米估计250峰瓦[2]。

根据以上估算，带动一个0.25 kW的排风扇转动，需要面积为1 m2的太阳能集热器。换算为圆形的太阳能收集器，直径约为。

2.2.3 模型制作

为了能够直观演示系统工作原理，本设计制作了简易的演示模型。

（1）制作太阳能收集装置。一开始想用铁皮卷制一个类似卫星接收天线的蝶形收集装置，后来利用了卫星接收天线，俗称“锅盖”、“小耳朵”，在小耳朵的内表面贴了一层反光膜，用几段铝合金型材制作了支架如图2所示。

光线寻踪系统需要光敏元件、光线计算、单片机运算、天线驱动装置等一系列复杂的东西，技术水平暂时达不到。但是理论上是应该有光线寻踪系统的，这样可以提高热能收集的效率[3]。

（2）斯特林发动机。斯特林发动机如图2所示。把这个斯特林发动机安装在太阳能收集装置的支架上，使发动机吸热活塞部分基本位于太阳能收集装置的焦点上。发动机的启动是用酒精灯代替太阳光，自制了一个简易酒精灯。

（3）发电机。从网上购买了一个成品马达。

（4）排风系统。在家中闭置的旧电脑上拆了一个风扇。

（5）初次演示。

（6）改进。

（7）最终模型。

（8）最终系统演示。

点燃酒精灯，火焰加热斯特林热机吸热活塞，加热约30 s用手给活塞一个推动力，活塞开始动作，随着继续加热，活塞动作加快，并能保持一定的速度。这时活塞连接的马达发电，电能供到风扇开始转动;移开酒精灯，斯特林热机逐渐停止工作，发电系统不再工作，风扇停止转动，系统演示成功。

通过理论推导和实验演示，利用太阳能，通过斯特林发动机、发电机可以供排风系统工作，实现太阳能——机械能——电能——机械能的转变。阳光强烈时，整个系统开始工作，随着光线减弱，系统停止工作，可以实现排风系统的自动运行。

本设计还有很多不到位的地方，比如：

（1）对光线自动寻踪系统没有进行深入设计，这个系统据说可以提高整个系统30%左右的效率，还是非常可观的。但是由于它需要掌握感光元件、单片机、编程等，甚至需要了解地球对日运行角度、时间等知识，短时间内我还不能深刻领会学习到。

（2）光电转换效率、系统匹配：整个系统从光能——机械能——电能——机械能，各个环节都需要大量的运算和实验，各元件的大小、功率等等都需要进行匹配，而本文只是粗略的估算，大概的匹配，离真正的实物还差的很远。

（3）由于斯特林热机工作受热源影响，其工作性能不稳定，导致发电也不稳定，本设计由于时间和知识水平限制，没有考虑稳压、逆变、蓄电等措施。

（4）从理论——模型——实物——工业化生产——应用，这是一个非常艰难坎坷的过程，需要解决大量遇到的困难。

（5）太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。本设计未设置逆变器。

3 结论

在当今能源危机和环保压力的大背景下，人们对清洁能源的开发与利用一直在不懈努力。太阳能作为一种可再生的清洁能源，地域限制性小，取之不尽、用之不竭。本设计的主要目的就是利用斯特林发动机技术，使太阳能得到充分的开发利用，达到电梯机房通风降温的目的，可以寻找更多适合的场合推广应用这种技术。

参考文献：

[1]张学铭.太阳能发电技术综合评价及应用前景探析[J].中国设备工程，2019（23）：219-220.

[2]王韬.太阳能发电技术的综合评价及应用前景[J].电子技术与软件工程，2019（18）：235-236.

[3]辛培裕.太阳能发电技术的综合评价及应用前景设计[D].华北电力大学，2015.