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(fā)動機，帶動發(fā)電機發(fā)電，供電給電梯機房的排風(fēng)系統(tǒng)，從而降低機房溫度，達到電梯穩(wěn)定運行的目的。經(jīng)過設(shè)計的排風(fēng)降溫系統(tǒng)簡單模型，驗證了該系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：太陽能;斯特林發(fā)動機;電梯機房溫度

中圖分類號：TM615 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

夏季電梯容易出現(xiàn)故障，主要原因之一是高溫天氣導(dǎo)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(fēng)系統(tǒng)，而斯特林發(fā)動機可以在熱源的驅(qū)動下，實現(xiàn)能源形式轉(zhuǎn)換，但應(yīng)用非常不廣泛。本文利用太陽能作為驅(qū)動熱源，通過斯特林發(fā)動機帶動發(fā)電機工作，進而供電梯機房排風(fēng)系統(tǒng)工作，既能解決電梯機房高溫問題，又為斯特林發(fā)動機找到適合應(yīng)用的場景，達到節(jié)能、環(huán)保的目的。

1 電梯機房排風(fēng)降溫系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)思

解決電梯機房溫度過高問題有很多方案，比如安裝空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、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(fā)動機發(fā)電與排風(fēng)系統(tǒng)結(jié)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(shè)計的基礎(chǔ)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(shè)計的有效性。

斯特林發(fā)動機是英國物理學(xué)家羅巴特斯特林于1816年發(fā)明的，所以命名為“斯特林發(fā)動機”。斯特林發(fā)動機是通過氣缸內(nèi)工作介質(zhì)（氫氣或氦氣）經(jīng)過冷卻、壓縮、吸熱、膨脹為一個周期的循環(huán)來輸出動力，因此又被稱為熱氣機。斯特林發(fā)動機是一種外燃發(fā)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(fēng)降溫系統(tǒng)初步設(shè)計如下：收集陽光——驅(qū)動斯特林熱機工作——帶動發(fā)電機工作——驅(qū)動排風(fēng)系統(tǒng)工作。高溫暴曬的時候，電梯機房溫度升高，正好是這個系統(tǒng)運行的好時機，隨著環(huán)境溫度降低的時候，機房不再需要排風(fēng)，系統(tǒng)這個時候也因為缺少動力，停止工作，這樣整個系統(tǒng)還可以實現(xiàn)自動運行。

2 設(shè)計方法與過程

2.1 設(shè)計方法

收集太陽能作為熱源，驅(qū)動斯特林發(fā)動機工作，發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，供電梯排風(fēng)系統(tǒng)工作。

2.2 設(shè)計過程

利用斯特林發(fā)動機受熱可以產(chǎn)生機械能的原理，用太陽能作為熱源，將斯特林發(fā)動機產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電能，驅(qū)動排風(fēng)系統(tǒng)工作。

整個系統(tǒng)示意圖如下：

整個系統(tǒng)的設(shè)計分為系統(tǒng)設(shè)計、效率估算、模型制作三個部分。

2.2.1 系統(tǒng)設(shè)計

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

為了提高太陽能收集效率，收集系統(tǒng)還要能隨太陽旋轉(zhuǎn)，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(tǒng)較復(fù)雜，本設(shè)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(zhuǎn)動來追蹤太陽。

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

（3）發(fā)電機工作。斯特林發(fā)動機工作后，通過機械傳動，帶動發(fā)電機發(fā)電。

（4）排風(fēng)系統(tǒng)工作。隨著發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，供給排風(fēng)系統(tǒng)電能，排風(fēng)系統(tǒng)開始工作。

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

2.2.2 效率估算

根據(jù)相關(guān)材料介紹，目前晶體硅太陽能電池現(xiàn)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(jù)以上估算，帶動一個0.25 kW的排風(fēng)扇轉(zhuǎn)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(tǒng)工作原理，本設(shè)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(wèi)星接收天線的蝶形收集裝置，后來利用了衛(wèi)星接收天線，俗稱“鍋蓋”、“小耳朵”，在小耳朵的內(nèi)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(tǒng)需要光敏元件、光線計算、單片機運算、天線驅(qū)動裝置等一系列復(fù)雜的東西，技術(shù)水平暫時達不到。但是理論上是應(yīng)該有光線尋蹤系統(tǒng)的，這樣可以提高熱能收集的效率[3]。

（2）斯特林發(fā)動機。斯特林發(fā)動機如圖2所示。把這個斯特林發(fā)動機安裝在太陽能收集裝置的支架上，使發(fā)動機吸熱活塞部分基本位于太陽能收集裝置的焦點上。發(fā)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(fā)電機。從網(wǎng)上購買了一個成品馬達。

（4）排風(fēng)系統(tǒng)。在家中閉置的舊電腦上拆了一個風(fēng)扇。

（5）初次演示。

（6）改進。

（7）最終模型。

（8）最終系統(tǒng)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(xù)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(fā)電，電能供到風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動;移開酒精燈，斯特林熱機逐漸停止工作，發(fā)電系統(tǒng)不再工作，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)演示成功。

通過理論推導(dǎo)和實驗演示，利用太陽能，通過斯特林發(fā)動機、發(fā)電機可以供排風(fēng)系統(tǒng)工作，實現(xiàn)太陽能——機械能——電能——機械能的轉(zhuǎn)變。陽光強烈時，整個系統(tǒng)開始工作，隨著光線減弱，系統(tǒng)停止工作，可以實現(xiàn)排風(fēng)系統(tǒng)的自動運行。

本設(shè)計還有很多不到位的地方，比如：

（1）對光線自動尋蹤系統(tǒng)沒有進行深入設(shè)計，這個系統(tǒng)據(jù)說可以提高整個系統(tǒng)30%左右的效率，還是非?？捎^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?qū)θ者\行角度、時間等知識，短時間內(nèi)我還不能深刻領(lǐng)會學(xué)習(xí)到。

（2）光電轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)匹配：整個系統(tǒng)從光能——機械能——電能——機械能，各個環(huán)節(jié)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(wěn)定，導(dǎo)致發(fā)電也不穩(wěn)定，本設(shè)計由于時間和知識水平限制，沒有考慮穩(wěn)壓、逆變、蓄電等措施。

（4）從理論——模型——實物——工業(yè)化生產(chǎn)——應(yīng)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(shè)計未設(shè)置逆變器。

3 結(jié)論

在當(dāng)今能源危機和環(huán)保壓力的大背景下，人們對清潔能源的開發(fā)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(shè)計的主要目的就是利用斯特林發(fā)動機技術(shù)，使太陽能得到充分的開發(fā)利用，達到電梯機房通風(fēng)降溫的目的，可以尋找更多適合的場合推廣應(yīng)用這種技術(shù)。

參考文獻：

[1]張學(xué)銘.太陽能發(fā)電技術(shù)綜合評價及應(yīng)用前景探析[J].中國設(shè)備工程，2019（23）：219-220.

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

[3]辛培裕.太陽能發(fā)電技術(shù)的綜合評價及應(yīng)用前景設(shè)計[D].華北電力大學(xué)，2015.