[科普中国]-太阳能热机

原理

太阳能热机通常采用斯特林循环，利用斯特林热机的形式制成，其热交换过程允许将理想的热效率转换成机械运动。

斯特林热机属于外燃机的一种，它是外部能源进行供热，以气体为工作物质，通过活塞循环封闭做功。在十八世纪，斯特林发动机由它的创始人苏格兰的斯特林成功研制，被称为热空气外燃机。其气缸含有两端为热腔（膨胀腔）和冷腔（压缩腔）。腔内含有工质，当其在冷腔内时会被压缩，工质被压缩后，沿着被压缩的方向就会从低温冷腔内转移到热腔内，由于热腔内的温度很高，从而使得工质温度升高，由热胀冷缩的原理，工质就会膨胀从而推动活塞做功。提供给斯特林热机能量的外部能源可以通过加热器将热量传递给腔室的工质，从而使工质获得能量推动活塞做功。气缸中的工质与外界隔离，只在腔内循环，所以不用来回的更换。1

系统组成太阳能热机的组成为太阳能集热器和热机，

整个太阳能热机系统工作时，太阳能集热器会吸收太阳穿过大气辐射到地表的能量，然后通过工作物质传送热量给热机，然后热机利用热能进行工作。

太阳能集热器对于整个热利用系统来说很重要，它决定整个热利用系统工作性能，对于整个热利用系统来说是关键的组成部分。集热器在接受太阳能光照时，由于其组成材料结构不同，而有不同的太阳能利用率。现在最为常见和普遍利用的太阳能集热器为平板型和真空管型。 热机的定义为指各种通过外界能源转变为内能来对外进行做功的机械。它将燃料提供的能量通过一定方式转变成内能，内能再通过一定的方式转变成机械能的一种以能源为动力的设备。

产品特色将太阳能转换为机械能大致有两种方式：一种是光-热-机械能，另一种是光-电-机械能。就目前整个太阳能利用市场来看，太阳能斯特林热机和太阳能电池处于竞争的状态。但太阳能斯特林热机的生产制造很容易，并且所需要的材料与太阳能电池不一样，太阳能利用率也高。而太阳能电池所需材料昂贵且回收利用困难，废旧电池很容易污染环境，不符合长远发展利益，且其投资成本远远高于太阳能斯特林热机。所以，我们应大量生产太阳能斯特林热机，应将其广泛的应用于工业生产、农业生产中。尤其像中国这样的发展中国家，太阳能斯特林热机更应该被开发利用。2

发展历史自从人类诞生以来就对太阳能量产生了依赖，而且人类的生活也不能离开太阳能。经济和科技都在飞快地发展，人类在应用太阳能方面的技术也在不断地提高。人们将太阳能和斯特林热机相结合组成太阳能斯特林热机系统最早的时间是在 1872 年。发明第一台太阳能斯特林热机的科学家的名字为爱利克丝。对于当时的年代来说，这种技术是处于科学中最先进的技术。但当时由于内燃机技术发达，且内燃机所使用的化石燃料价格低。另外太阳能斯特林热机制造及技术成本昂贵，所以没有发展起来。随着时间推移，化石能源剧减，且环境污染严重，太阳能斯特林热机将重新被人们重视。3

分类自从太阳能斯特林热机诞生以来，总结其技术与发展特点，我们可以将其归为两类发展动向，并且两种方向是完全背离的。下面我们归结一下这两种太阳能斯特林热机：

高科技的太阳能斯特林热机高科技的太阳能斯特林热机是最为正宗的斯特林热机地应用。其封闭腔室内工作物质是氦和氢，并且整个发动机所采用的原材料是最为先进的材料，当其在被加工、制造、策划和设计等都采用最为前沿的技术和科学家。斯特林热机他最初是被用来作为汽车上的发动机，后来随着科技的进步，成功研制出太阳能斯特林热机。太阳能斯特林热机在许多国家已被用作发电。如现在最为先进的碟式太阳能发电系统为碟式类聚光器、斯特林发电系统、发电机和发电控制系统。我们把这样的太阳能斯特林热机称作高科技的太阳能斯特林热机。4

由于这种高科技的太阳能斯特林热机的制造成本昂贵，所以一直没有被广泛地应用于各个领域。但高科技的太阳能斯特林热机在实验室内的研究已经获得不少成果，为其推广打下了基础。

简易型太阳能斯特林热机简易型太阳能斯特林热机采用的是低压热空气斯特林发动机。低压热空气斯特林发动机气缸内的工作物质是低压空气，且整个机身采用普通材料制造、技术构造都很简单、无公害。高科技斯特林发动机成本昂贵、维修保护困难，所以低压热空气斯特林热机就会得到广泛地应用，并且其在发展中国家应用前景值得看好。希尔博士发明的低压大气斯特林发动机最为有名，并且在巴基斯坦和印度得到了推广使用。5 随着科学技术地进步，我们的制造工艺、原材料、传热技术、润滑技术都与原来不同，且拥有了高超技术。所以低压大气斯特林发动机对于现在这个时代，我们可以很好地将其利用。现在有许多高超技术都被应用到了低压大气斯特林发动机上，所以许多科学家提出了新一代的低压大气斯特林发动机的设计思想。比如在日本研究了新式的低压大气斯特林发动机，非常适合发展中国家进行应用。 由于低压大气斯特林发动机具有良好地发展前景，所以本文地创新点就是研究以范德瓦尔斯气体作为循环工作物质的太阳能斯特林热机。低压大气斯特林热机气缸内的工作物质是空气，而范德瓦斯气体的特性接近空气，所以采用范德瓦尔斯气体作为系统的循环物质。