太阳热能发动机

我从事太阳能热发电研究多年了，对跟踪聚光、光热发动机和太阳能存储有一些成果。先介
绍太阳热能热发电的数据概念。

我们最熟悉的发动机是汽车发动机。它的复杂，让我每次打开汽车前盖时，都不敢去碰它，
生怕弄坏了。对于太阳能热发电，简单可靠的发动机是降低成本的关键。虽然有人用斯特林
发动机实验碟式太阳能发电，但其复杂的结构使得它成本高，寿命短。

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其实发动机可以做得很简单，最简单的发动机存在于我们的生活当中：把气球吹起来后，
一松手，气球就变成的喷气式发动机。

我们来分析一下以太阳能为动力，这个喷气式发动机可以做得多么简单，功率能有有多大。
发动机是一个火箭形状的罐子，里面装有水，尾部有一个喷气孔。地面上有一个聚光器，跟
踪火箭运动将阳光聚集到空中的火箭上，将水加热沸腾，蒸汽从喷气孔喷出。当蒸汽压力足
够大（

30 个大气压）时，喷气速度可以达到 1000 米每秒。蒸汽对火箭做的功是

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W = m*Vr*Ve

式中

 m 每秒钟喷出的蒸汽重量；Vr 是火箭的速度；Ve 是喷出蒸汽相对于火箭的速度。

对于

 m=1 公斤/秒；Vr=300 米/秒； Ve=1000 米/秒，功率输出是 300 千瓦。若火箭的速度是

 

1000 米/秒，功率输出是 1 兆瓦。将 1 公斤水烧成蒸汽需要 2.3 兆焦耳的热能。水蒸汽的定压
比热容是

 1.84KJ/kg.K，将水蒸气的温度在提高 200°C，需要 0.37 兆焦耳。总热量是 2.7 兆焦

耳。

 以此可以算出，对于 300 米/秒运行的火箭，热功效率是 11%；对于 1000 米/秒运行的

火箭，热功效率是

37%。

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再来看看这个发动机的体积有多大。对于以

1000 米/秒运行的 1 兆瓦的火箭，需要的热量是

2.7 兆瓦。我们根据烧开水的经验来理解烧制蒸汽的换热效率，我家 3 千瓦的电炉，面积有
0.03 平米，以此推算火箭的吸热面积是 27 平米，相当于边长为 5.2 米正方形的面积。若用管
道换热，面积可以大大减少。

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为了驱动这

1 兆瓦的火箭，聚光镜要多大？太阳光的能量密度是每平米 1000 瓦。假设光热

转换效率为

70%，为了提供 2.7 兆瓦的热能，需要 3857 平方米的面积收集太阳能。若聚光

镜为正方形，则边长为

62 米。