耦合太阳能的中央空调废热斯特林发电系统

李仕娴+卢文君+眭洋+张振迎

一、工艺原理

发电系统主要设备包括中央空调冷凝器、抛物面反射镜、太阳能集热器、斯特林机与发电机等。内部工质为水的铜管紧密缠绕在空调的冷凝器上，吸收冷凝器热量，铜管一直连接到位于房屋顶部的斯特林机的热气缸外表面。太阳能集热器的尾部嵌套在冷凝器与斯特林机热气缸中间的铜管表面，抛物面反射镜多角度吸收太阳光，并将太阳光反射到集热器处，集热器表面吸收大量太阳光聚得的热量，进一步加热铜管内工质，以此加热斯特林机热气缸，而冷气缸外表面有散热片帮助散热，两个气缸通过回热器与冷却器连通，在气缸内充有氮气作工质，工质不会向外泄漏。

二、主要设备

（1）旋转抛物面反射镜。抛物面反射镜分玻璃镜面、陶瓷镜面、金属镜面等，根据所需要的温度不同可采用不同材质的反射镜面。金属镜面可采用的是进口材料，具有极高的反射率，反射率可达95%以上，可以收集太阳能漫反射光线，并将光线进行整理聚焦，可以有效提高集热器工作温度，集光温度可达100～300度。旋转抛物面反射镜由82面小镜子组成，能够聚集94%的入射阳光。反射镜收集太阳光并将其反射到焦点的太阳能集热器处，集热器聚集高温、高热流密度的热量，驱动斯特林机运转，从而带动发电机发电。

（2）太阳能集热器。太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。工作时，热管表面吸收大量太阳光聚得的热量，当其背面温度达到400K左右时，附着在毛细金属芯中的液态水开始汽化，并在蒸汽压力的作用下流向热管上部空间，然后高温水蒸气释放大量的潜热液化，该部分热量将均匀的加热与热管相嵌套的铜管内部的工质，放热后，液态水受重力作用回流，在集热器最低位置处形成水液池，池中的液态水浸入紧贴集热器受光侧内表面的毛细金属芯中，受到毛细力的作用上升，吸收热量后再次气化，循环，完成重力热管式的连续工作过程。

（3）斯特林机部分。斯特林机采用α型动力连杆式斯特林机，工质是比空气的传热性能好、比重轻、粘度小的氮气。氮气在冷气缸中被压缩，然后流到高温热气缸中迅速加热，蒸发的膨胀气体为活塞运动提供动力，继而在冷气缸中冷却，以此循环反复进行。回热器为多孔介质的网状结构，热气缸中的工质经膨胀后从热端返回冷端，流经回热器时，回热器吸收工质的部分剩余热量，使工质的温度从循环最高温下降到循环最低温。相反，工质经压缩后从冷端流向热端时，吸收回热器上次循环保存的部分热量，工质温度从循环最低温升高到循环最高温。冷却器连接在回热器和压缩腔之间，通常采用管式冷却器，工质气体轴向流经小口径的冷却管束，而冷却水在冷却管束的外壁横向流过，对管内流过的工质进行冷却。

（4）气缸、曲柄连杆、传轮。冷气缸处于系统循环中的低温部分，与冷却器相连接，热量通过冷却器传递。热气缸处于系統的高温部分，不断将热源的热量传递给工质。在膨胀过程中，有相当大一部分的工质处于热气缸中，所以，热气缸必须能够承受高温和高压，且系统中大量的热损失是由于热气缸散失的。冷气缸中的冷活塞和热气缸中的热活塞作一定规律的相对运动，推动工质在冷热气缸之间往返流动并通过一个曲柄连杆相连接。

本文提出的系统通过回收中央空调冷凝器排出的废热，耦合部分太阳能，用于提高废热品位，以此加热斯特林发动机热气缸中的工质（氮气），推动斯特林机的正常运转，从而带动发电机发电。实现了中央空调废热的回收利用，在节能、环保、生态环境等方面起到非常积极的作用，使经济、社会和生态效益并举，具有重要的推广价值。

参考文献：

[1]朱榜荣.斯特林机的优化设计及仿真研究[D].北京：华北电力大学，2008.

[2]李 铁，张 璨，唐大伟.太阳能斯特林机用新型吸热器的设计与模拟[J].工程热物理学报，2010（3）.