適用于太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的二次聚光器設(shè)計(jì)

陳翔 丁夏琛 康慧芳

摘 要：將綠色環(huán)保的可再生能源太陽能與高可靠性、無污染、潛在效率高的熱聲系統(tǒng)結(jié)合，是一個(gè)全新的、極具前景的研究方向。但已有的太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲系統(tǒng)所采用的傳統(tǒng)聚光器，系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行調(diào)試?yán)щy；目前尚缺乏針對(duì)熱聲系統(tǒng)的太陽能聚光器的設(shè)計(jì)。為此，該文提出了一種適用于太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的光漏斗一次聚光和漸開線二次聚光器結(jié)構(gòu)，介紹了二次聚光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并使用Light Tools軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的聚光器進(jìn)行仿真計(jì)算，并與多種聚光器進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，結(jié)合漸開線二次聚光裝置的順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器，提高了系統(tǒng)的聚光效率，降低了對(duì)系統(tǒng)跟蹤精度的要求，并且結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝、調(diào)試、維護(hù)，是一種適用于熱聲熱機(jī)的太陽能集熱裝置。

關(guān)鍵詞：太陽能；熱聲；漸開線；二次聚光；光漏斗

中圖分類號(hào)：TK123 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲熱機(jī)系統(tǒng)概述

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)利用熱聲效應(yīng)將太陽能集熱器收集的熱能轉(zhuǎn)化為聲能，產(chǎn)生的聲能可以用來驅(qū)動(dòng)制冷單元制冷，或驅(qū)動(dòng)發(fā)電單元發(fā)電。在太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞鳒囟忍荻冗_(dá)到其臨界值時(shí)，將激發(fā)聲波，聲波使氣體微團(tuán)在發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞髦薪?jīng)歷壓縮—加熱—膨脹—冷卻熱動(dòng)力學(xué)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)無運(yùn)動(dòng)部件條件下的熱聲轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相比，太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)具備許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下3點(diǎn)。

（1）結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、使用壽命長，尤其是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)完全無運(yùn)動(dòng)部件。

（2）無污染發(fā)電技術(shù)，太陽能熱聲發(fā)電以太陽能為熱源，完全無污染；系統(tǒng)采用太陽能集熱器，與太陽能光伏發(fā)電相比，集熱器結(jié)構(gòu)簡單，材料經(jīng)濟(jì)無污染且使用壽命較長；熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)采用氮?dú)?、氦氣等惰性氣體作為工質(zhì)，可以避免氣體泄露對(duì)大氣層造成破壞。

（3）通過提高熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大小，適用規(guī)模范圍廣。

將綠色環(huán)保的可再生能源太陽能與高可靠性、無污染、潛在效率高的熱聲系統(tǒng)結(jié)合，并配以發(fā)電單元實(shí)現(xiàn)“光—熱—聲—電”轉(zhuǎn)換是一個(gè)全新的、極具前景的研究方向，在能源與環(huán)境問題日益突出的今天有著顯而易見的重要意義，也為航天和傳統(tǒng)能源稀缺地區(qū)的能源供給提供了新的方向。

最早利用太陽能作為驅(qū)動(dòng)源的熱聲系統(tǒng)，是美國賓州大學(xué)的Chen和Garrett于1998年研制的第一臺(tái)使用太陽能驅(qū)動(dòng)的駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。該系統(tǒng)由陶瓷板疊和一根40 cm長的玻璃諧振管組成，由一個(gè)小型碟式集熱器將太陽光聚焦到陶瓷熱聲板疊一端進(jìn)行加熱，穩(wěn)定工作頻率為420 Hz，距離開口端1 m處可以測(cè)得120 dB的聲波。該系統(tǒng)驗(yàn)證了太陽能作為熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)源的可行性，為以后太陽能熱聲技術(shù)的發(fā)展做了鋪墊。與太陽能相結(jié)合的熱聲技術(shù)更加顯著地體現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。2000年，美國海軍研究生院設(shè)計(jì)了一臺(tái)太陽能驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)，其熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)利用一個(gè)直徑0.457 m的菲涅耳透鏡將太陽光聚集到板疊的熱端，將板疊的熱端加熱到475 ℃，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的聲功驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)，在冷端溫度為5 ℃時(shí)獲得2.5 W的制冷量，此時(shí)溫降為23 ℃。這一結(jié)果證明了太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)的方案是可行的，在實(shí)用性、簡單性和可靠性方面具有很大的潛力。2010年，中科院羅二倉研究小組利用一臺(tái)太陽能驅(qū)動(dòng)的千瓦級(jí)的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線性發(fā)電機(jī)，以氦氣為工質(zhì)，工作頻率為76.8 Hz，在平均壓力為3.6 MPa時(shí)獲得了最大137 W的發(fā)電量；在平均壓力為4.5 MPa時(shí)獲得了最大250 W的發(fā)電量。初步驗(yàn)證了太陽能行波熱聲發(fā)電這種新技術(shù)的可行性，為可再生能源的利用開辟了一條新的道路。

目前，太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲熱機(jī)系統(tǒng)中，要么熱聲熱機(jī)位于聚光裝置的上方，會(huì)影響聚光器的集熱效率；要么太陽能聚光裝置較為龐大，與熱聲裝置相互獨(dú)立，造價(jià)較高，會(huì)造成系統(tǒng)復(fù)雜化和運(yùn)行調(diào)試?yán)щy。相對(duì)于傳統(tǒng)的太陽能光熱和光伏利用技術(shù)，太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲系統(tǒng)的板疊式換熱器適宜直接接收太陽光，并進(jìn)行光—熱—聲的轉(zhuǎn)換，換熱式接收器與熱聲系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)。另外，在現(xiàn)有的太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，缺乏有針對(duì)性的太陽能聚光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究。

為此，該文設(shè)計(jì)了一種適用于太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的光漏斗一次聚光和漸開線二次聚光器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該聚光器針對(duì)熱聲熱機(jī)接收器的聚光特點(diǎn)，將漸開線二次聚光裝置與增大了出光口的復(fù)合拋物面聚光器相結(jié)合，提高了系統(tǒng)的聚光效率，降低了對(duì)系統(tǒng)跟蹤精度的要求，并且結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝、調(diào)試、維護(hù)。該文將對(duì)該聚光器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)值仿真研究。

2 順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器

該文采用復(fù)合拋物面聚光器的順向聚焦集熱技術(shù)，由于集光裝置的焦點(diǎn)不在反射凹面的內(nèi)側(cè)，而在其圓柱鏡反射面形成的直筒內(nèi)；發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器直接放置在直筒中集光裝置光線聚集部分，熱聲熱機(jī)裝置不會(huì)在反射面上產(chǎn)生陰影，增加了反射面的集光面積，從而提高太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲熱機(jī)的實(shí)際效率，也給太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲熱機(jī)裝置的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維修維護(hù)提供便利。

如圖2所示，順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器是由平移的拋物面構(gòu)成的，結(jié)合了傳統(tǒng)的復(fù)合拋物面聚光器順向傳光和拋物面聚光器成像聚焦的優(yōu)點(diǎn)。出射光成像聚焦可為熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)提供起振以及工作時(shí)高溫端所需的中高溫；而順向傳光又避免了熱聲熱機(jī)回?zé)崞骼涠撕椭C振腔被加熱以及逆向反射陰影造成的聚光損失，同時(shí)，由于焦點(diǎn)在聚光器后端的外部，使其易于與熱聲熱機(jī)相連，熱聲熱機(jī)的接收器的形狀大小、支架和工質(zhì)流通管道也都不會(huì)對(duì)入射的光路造成影響。

設(shè)計(jì)聚光器時(shí)，希望有較大的α和較小的β，為了兼顧二者，m的取值約為0.3～0.5。

熱聲熱機(jī)的主要換能部件是回?zé)崞?，需要加熱回?zé)崞鞯臒岫?，同時(shí)冷卻回?zé)崞鞯睦涠耍缘玫綔囟忍荻仁蛊洚a(chǎn)生熱聲效應(yīng)。以駐波型熱聲熱機(jī)為例，回?zé)崞鳠岫艘话銥閳A柱形的加熱肋片連接一段諧振腔，如圖5所示，其主要的加熱部位為圓柱肋片的環(huán)狀部分和諧振腔表面，而回?zé)崞鞑糠謩t需要進(jìn)行絕熱處理。

3 漸開線二次聚光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單一采用順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器，有部分光線從熱聲熱機(jī)與反射鏡壁面之間漏出，另外當(dāng)入射角偏離0°時(shí)，有光線入射到回?zé)崞魍獗诿?，影響回?zé)崞鳒囟确植?。因此需設(shè)計(jì)二次聚光器，降低裝置對(duì)跟蹤精度的要求，提高聚光比，同時(shí)避免回?zé)崞魇艿疥柟庹丈浼訜岫绊懫錅囟确植肌?/p>

漸開線的顯著特點(diǎn)是其每一點(diǎn)的法線都與基圓相切，漸開線可以將任何角度進(jìn)入的光線都匯集到基圓上，能有效地將進(jìn)入出光口的光線聚集到接收器上，同時(shí)在跟蹤精度不足的情況下提高接收能力。為此，該文選擇漸開線為二次聚光器。

當(dāng)放置一個(gè)高于基圓并與之內(nèi)側(cè)相切的熱聲接收器時(shí)，法線與接收器均相交于基圓頂部以下圓心以上的位置。因此，平面上任意方向進(jìn)入漸開線的光線都將被反射到熱聲接收器上，可實(shí)現(xiàn)平面任意方向的完全聚光。如圖7所示，為漸開線二次聚光器的基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，由2條相同大小基圓的漸開線構(gòu)成，其發(fā)生線與基圓頂部相切，以保證任何方向進(jìn)入出光口的光線都能匯聚到接收器上。熱聲熱機(jī)頭部作為接收器位于正中，其兩側(cè)分別與兩基圓內(nèi)側(cè)相切，加熱肋片底部與二次聚光器相連，以避免加熱回?zé)崞鞑糠?。已知熱聲熱機(jī)直徑為?，出光口直徑為L（使用順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器時(shí)L=l），令θ+α=t（t≥π/2），t為兩個(gè)角的和。即可得出基圓半徑r與?和L的關(guān)系。

其入射角為5°的平面光路如圖10（a）所示，可見在入射角為5°時(shí)，增大聚光角的順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器基本無光線被反射出去，而傳統(tǒng)的順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器被反射走的光線則較多。為精確計(jì)算，該文模擬太陽光以0°～10°入射角入射聚光器，入射光線為10 000條，比較出光口AB（AB）和熱聲接收器所接收到的光線占入射光線總量的比值，如圖10（b）所示。圖中曲線1和2分別是增大聚光角δ=5°的順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器出光口AB和其熱聲接收器在0°～10°內(nèi)的所接收到的光線占入射光線總量的比值變化，曲線3和4分別是傳統(tǒng)的（δ=0°）順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器出光口AB和其熱聲接收器在0°～10°內(nèi)所接收到的光線占入射光線總量的比值變化?？梢姡诜秶鷥?nèi)增大聚光角δ=5°的順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器出光口AB光線接收比均保持在97%以上，而傳統(tǒng)的（δ=0°）順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器則幾乎呈直線下降趨勢(shì)，在入射角為5°時(shí)，其出光口AB光線接收比已下降到65.6%。同樣，在5°范圍內(nèi)增大聚光角δ=5°的順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器中的熱聲熱機(jī)接收器光線接收比均保持在91%以上，而傳統(tǒng)的（δ=0°）順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器則幾乎呈直線下降趨勢(shì)，在入射角為5°時(shí)，其中的熱聲熱機(jī)接收器光線接收比已下降到60%。

由此可見，相對(duì)于單一的順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器，添加漸開線二次聚光器可以降低裝置對(duì)跟蹤精度的要求，提高聚光比，同時(shí)避免回?zé)崞魇艿疥柟庹丈浼訜岫绊懫錅囟确植肌?/p>

5 結(jié)論

該文針對(duì)熱聲熱機(jī)接收器的聚光特點(diǎn)，在復(fù)合拋物面聚光器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適用于熱聲熱機(jī)的太陽能聚光器。該聚光器，將漸開線二次聚光裝置與增大了出光口的復(fù)合拋物面聚光器相結(jié)合。該文對(duì)該聚光器進(jìn)行設(shè)計(jì)和數(shù)值分析，并與多種聚光器比較。結(jié)果表明，結(jié)合漸開線二次聚光裝置的順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器是一種適用于熱聲熱機(jī)的太陽能集熱裝置，具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）順向傳光技術(shù)避免了發(fā)動(dòng)機(jī)投影對(duì)太陽能集熱效率的不利影響。

（2）二次聚光裝置在提高系統(tǒng)聚光效率的同時(shí)，避免了回?zé)崞鞑糠直患訜幔绊懟責(zé)崞鳒囟确植肌?/p>

（3）針對(duì)接收器的尺寸特點(diǎn)，適當(dāng)擴(kuò)大了順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器的出光口，降低了系統(tǒng)對(duì)追蹤精度的要求，節(jié)省了系統(tǒng)投入。

（4）聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，與熱聲系統(tǒng)耦合方便，便于裝置的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試與維護(hù)。

（5）相對(duì)于單一的順向聚焦復(fù)合拋物面聚光器，添加漸開線二次聚光器可以降低裝置對(duì)跟蹤精度的要求，提高聚光比，同時(shí)避免回?zé)崞魇艿疥柟庹丈浼訜岫绊懫錅囟确植肌?/p>

（6）相對(duì)于其他形式的二次聚光器，使用漸開線的二次聚光器在設(shè)計(jì)角度范圍內(nèi)聚光效率均高于其他幾類聚光結(jié)構(gòu)，聚光效率可達(dá)到91%甚至98%以上。

參考文獻(xiàn)

[1]Chen RL， Garrett SL. Solar/heat-driven thermoacoustic engine[J]. J Acoust Soc Am， 1998， 103（5）： 2841.

[2]Garrett SL， Backhaus S. The power of sound[J]. American Scientist，2000（88）： 516-525.

[3]Adeff JA， Hofler TJ. Design and Construction of a Solar Powered， Thermoacoustically Driven， Thermoacoustic Refrigerator[J]. J. Acoust. Soc. Am.， 2000， 107（6）：L37-L42.

[4]滿滿.行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)工作機(jī)理的研究[D].北京：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，2011.

[5]何開巖，鄭宏飛.光漏斗聚光定向傳光中央接收太陽能集熱系統(tǒng)[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2010， 31（1）：28-31.

[6]薛曉迪.復(fù)雜曲面聚光器及其系統(tǒng)的性能研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2012.

[7]鄭宏飛，陶濤.增加復(fù)合拋物面聚光器（CPC）最大聚光角的幾種方法及結(jié)果比較[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2008， 29（9）：1467-1470.