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沙漠中应用空气热机发电的方案设计作者：四川大学xxxxxxx摘要：利用空气热机的工作原理，以及考虑到其结构简单优点，设计了一种能应用于沙漠的太阳能空气热机发电机。该发电机利用了沙漠高强度的日照，只要将阳光进行聚焦，便可以产生局部高温，利用温差驱动空气热机。研究热机模型的工作效率，并通过实验，分析其可行性。关键词;空气热机；太阳能；沙漠一.引言热机是将热能转换为机械能的机器。空气热机，以空气作为工作介质，是最古老的热机之一。因为沙漠干旱缺水，所以利用蒸汽机驱动不现实，而传统的太阳能发电设备有成本高的缺点，不利于建设大规模发电厂。本文设计了一种利用温差发电的空气热机。由于沙石的比热较低，这就意味着在同样的日照下，沙石吸收热量的速度比空气更快。利用沙漠中的沙石，染黑后增加其吸热能力，并同时在凹面镜（或其它聚光器）聚光下，使沙石达到局部高温，而有遮盖处相对的温度较低，从而利用温差驱动空气热机。图1空气热机设计简图二.设计原理空气热机的结构及工作原理可用图2说明。热机主机由高温区，低温区，工作活塞及汽缸，位移活塞及汽缸，飞轮，连杆，热源等部分组成。热机中部为飞轮与连杆机构，工作活塞与位移活塞通过连杆与飞轮连接。飞轮的下方为工作活塞与工作汽缸，飞轮的右方为位移活塞与位移汽缸，工作汽缸与位移汽缸之间用通气管连接。位移汽缸的右边是高温区，可用电热方式或酒精灯加热，位移汽缸左边有散热片，构成低温区。工作活塞使汽缸内气体封闭，并在气体的推动下对外做功。位移活塞是非封闭的占位活塞，其作用是在循环过程中使气体在高温区与低温区间不断交换，气体可通过位移活塞与位移汽缸间的间隙流动。工作活塞与位移活塞的运动是不同步的，当某一活塞处于位置极值时，它本身的速度最小，而另一个活塞的速度最大。图2空气热机工作原理当工作活塞处于最底端时，位移活塞迅速左移，使汽缸内气体向高温区流动，如图1a所示；进入高温区的气体温度升高，使汽缸内压强增大并推动工作活塞向上运动，如图1b所示，在此过程中热能转换为飞轮转动的机械能；工作活塞在最顶端时，位移活塞迅速右移，使汽缸内气体向低温区流动，如图1c所示；进入低温区的气体温度降低，使汽缸内压强减小，同时工作活塞在飞轮惯性力的作用下向下运动，完成循环，如图1d所示。在一次循环过程中气体对外所作净功等于P-V图所围的面积。根据卡诺对热机效率的研究而得出的卡诺定理，对于循环过程可逆的理想热机，热功转换效率：η=A/Q1=（Q1-Q2）/Q1=（T1-T2）/T1=ΔT/T1式中A为每一循环中热机做的功，Q1为热机每一循环从热源吸收的热量，Q2为热机每一循环向冷源放出的热量，T1为热源的绝对温度，T2为冷源的绝对温度。实际的热机都不可能是理想热机，由热力学第2定律可以证明，循环过程不可逆的实际热机，其效率不可能高于理想热机，此时热机效率：η≦ΔT/T1卡诺定理指出了提高热机效率的途径，就过程而言，应当使实际的不可逆机尽量接近可逆机。就温度而言，应尽量的提高冷热源的温度差。热机每一循环从热源吸收的热量Q1正比于ΔT/n，n为热机转速，η正比于nA/ΔT。n，A，T1及ΔT均可测量，测量不同冷热端温度时的nA/ΔT，观察它与ΔT/T1的关系，可验证卡诺定理。当热机带负载时，热机向负载输出的功率可由力矩计测量计算而得，且热机实际输出功率的大小随负载的变化而变化。在这种情况下，可测量计算出不同负载大小时的热机实际效率。参考文献[1]倪何，程刚，孙丰瑞：太阳能驱动的联合卡诺热机循环生态学性能研究，太阳能学报，31（12）：0254-0096.[2]汤庆国，沈国浩：关于热机循环效率的讨论，赤峰学院学报，27（10）：1673-260X.TheDesignofAirHeatEnginePowerApplicationSchemeXxxxxxxSichuanUniversityAbstract:Theuseofairheatengineworkingprinciple,aswellastoaccountforitssimplestructure,designedakindofapplicationtothedesertsolarairheatenginegenerator.Thegeneratorusesthehighstrengthdesertsunshine,aslongasthesunisfocused,canproducelocalhightemperature,usingtemperaturedifferencetodriveairengine.Studyontheefficiencyofheatenginemodel,andthroughexperiments,analysisofitsfeasibility.Keywords：airengine;solarenergy;desert