適用于太陽能驅動熱聲發動機的二次聚光器設計

陳翔 丁夏琛 康慧芳

摘 要：將綠色環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結合，是一個全新的、極具前景的研究方向。但已有的太陽能驅動熱聲系統所采用的傳統聚光器，系統復雜，運行調試困難；目前尚缺乏針對熱聲系統的太陽能聚光器的設計。為此，該文提出了一種適用于太陽能驅動熱聲發動機的光漏斗一次聚光和漸開線二次聚光器結構，介紹了二次聚光系統的設計方法，并使用Light Tools軟件對所設計的聚光器進行仿真計算，并與多種聚光器進行對比分析。結果表明，結合漸開線二次聚光裝置的順向聚焦復合拋物面聚光器，提高了系統的聚光效率，降低了對系統跟蹤精度的要求，并且結構簡單，易于安裝、調試、維護，是一種適用于熱聲熱機的太陽能集熱裝置。

關鍵詞：太陽能；熱聲；漸開線；二次聚光；光漏斗

中圖分類號：TK123 文獻標志碼：A

1 太陽能驅動熱聲熱機系統概述

熱聲發動機利用熱聲效應將太陽能集熱器收集的熱能轉化為聲能，產生的聲能可以用來驅動制冷單元制冷，或驅動發電單元發電。在太陽能驅動熱聲發電系統中，當發動機回熱器溫度梯度達到其臨界值時，將激發聲波，聲波使氣體微團在發動機回熱器中經歷壓縮—加熱—膨脹—冷卻熱動力學循環，實現無運動部件條件下的熱聲轉換。與傳統的發動機技術相比，太陽能驅動熱聲發動機具備許多獨特的優點，主要體現在以下3點。

（1）結構簡單、可靠性高、使用壽命長，尤其是熱聲發動機可以實現完全無運動部件。

（2）無污染發電技術，太陽能熱聲發電以太陽能為熱源，完全無污染；系統采用太陽能集熱器，與太陽能光伏發電相比，集熱器結構簡單，材料經濟無污染且使用壽命較長；熱聲發動機采用氮氣、氦氣等惰性氣體作為工質，可以避免氣體泄露對大氣層造成破壞。

（3）通過提高熱聲發動機的頻率實現控制系統結構大小，適用規模范圍廣。

將綠色環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結合，并配以發電單元實現“光—熱—聲—電”轉換是一個全新的、極具前景的研究方向，在能源與環境問題日益突出的今天有著顯而易見的重要意義，也為航天和傳統能源稀缺地區的能源供給提供了新的方向。

最早利用太陽能作為驅動源的熱聲系統，是美國賓州大學的Chen和Garrett于1998年研制的第一臺使用太陽能驅動的駐波型熱聲發動機。該系統由陶瓷板疊和一根40 cm長的玻璃諧振管組成，由一個小型碟式集熱器將太陽光聚焦到陶瓷熱聲板疊一端進行加熱，穩定工作頻率為420 Hz，距離開口端1 m處可以測得120 dB的聲波。該系統驗證了太陽能作為熱聲發動機驅動源的可行性，為以后太陽能熱聲技術的發展做了鋪墊。與太陽能相結合的熱聲技術更加顯著地體現了環保、節能等優點。2000年，美國海軍研究生院設計了一臺太陽能驅動的熱聲制冷機，其熱聲發動機利用一個直徑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 ℃，熱聲發動機產生的聲功驅動熱聲制冷機，在冷端溫度為5 ℃時獲得2.5 W的制冷量，此時溫降為23 ℃。這一結果證明了太陽能驅動熱聲制冷機的方案是可行的，在實用性、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太陽能驅動的千瓦級的行波熱聲發動機驅動線性發電機，以氦氣為工質，工作頻率為76.8 Hz，在平均壓力為3.6 MPa時獲得了最大137 W的發電量；在平均壓力為4.5 MPa時獲得了最大250 W的發電量。初步驗證了太陽能行波熱聲發電這種新技術的可行性，為可再生能源的利用開辟了一條新的道路。

目前，太陽能驅動熱聲熱機系統中，要么熱聲熱機位于聚光裝置的上方，會影響聚光器的集熱效率；要么太陽能聚光裝置較為龐大，與熱聲裝置相互獨立，造價較高，會造成系統復雜化和運行調試困難。相對于傳統的太陽能光熱和光伏利用技術，太陽能驅動熱聲系統的板疊式換熱器適宜直接接收太陽光，并進行光—熱—聲的轉換，換熱式接收器與熱聲系統一體化設計。另外，在現有的太陽能驅動熱聲發電系統的設計中，缺乏有針對性的太陽能聚光系統的設計和研究。

為此，該文設計了一種適用于太陽能驅動熱聲發動機的光漏斗一次聚光和漸開線二次聚光器結構，如圖1所示。該聚光器針對熱聲熱機接收器的聚光特點，將漸開線二次聚光裝置與增大了出光口的復合拋物面聚光器相結合，提高了系統的聚光效率，降低了對系統跟蹤精度的要求，并且結構簡單，易于安裝、調試、維護。該文將對該聚光器進行結構設計和數值仿真研究。

2 順向聚焦復合拋物面聚光器

該文采用復合拋物面聚光器的順向聚焦集熱技術，由于集光裝置的焦點不在反射凹面的內側，而在其圓柱鏡反射面形成的直筒內；發動機加熱器直接放置在直筒中集光裝置光線聚集部分，熱聲熱機裝置不會在反射面上產生陰影，增加了反射面的集光面積，從而提高太陽能驅動熱聲熱機的實際效率，也給太陽能驅動熱聲熱機裝置的設計、安裝、調試和維修維護提供便利。

如圖2所示，順向聚焦復合拋物面聚光器是由平移的拋物面構成的，結合了傳統的復合拋物面聚光器順向傳光和拋物面聚光器成像聚焦的優點。出射光成像聚焦可為熱聲發動機提供起振以及工作時高溫端所需的中高溫；而順向傳光又避免了熱聲熱機回熱器冷端和諧振腔被加熱以及逆向反射陰影造成的聚光損失，同時，由于焦點在聚光器后端的外部，使其易于與熱聲熱機相連，熱聲熱機的接收器的形狀大小、支架和工質流通管道也都不會對入射的光路造成影響。

設計聚光器時，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。

熱聲熱機的主要換能部件是回熱器，需要加熱回熱器的熱端，同時冷卻回熱器的冷端，以得到溫度梯度使其產生熱聲效應。以駐波型熱聲熱機為例，回熱器熱端一般為圓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狀部分和諧振腔表面，而回熱器部分則需要進行絕熱處理。

3 漸開線二次聚光結構設計

單一采用順向聚焦復合拋物面聚光器，有部分光線從熱聲熱機與反射鏡壁面之間漏出，另外當入射角偏離0°時，有光線入射到回熱器外壁面，影響回熱器溫度分布。因此需設計二次聚光器，降低裝置對跟蹤精度的要求，提高聚光比，同時避免回熱器受到陽光照射加熱而影響其溫度分布。

漸開線的顯著特點是其每一點的法線都與基圓相切，漸開線可以將任何角度進入的光線都匯集到基圓上，能有效地將進入出光口的光線聚集到接收器上，同時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。

當放置一個高于基圓并與之內側相切的熱聲接收器時，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，平面上任意方向進入漸開線的光線都將被反射到熱聲接收器上，可實現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計結構圖，由2條相同大小基圓的漸開線構成，其發生線與基圓頂部相切，以保證任何方向進入出光口的光線都能匯聚到接收器上。熱聲熱機頭部作為接收器位于正中，其兩側分別與兩基圓內側相切，加熱肋片底部與二次聚光器相連，以避免加熱回熱器部分。已知熱聲熱機直徑為?，出光口直徑為L（使用順向聚焦復合拋物面聚光器時L=l），令θ+α=t（t≥π/2），t為兩個角的和。即可得出基圓半徑r與?和L的關系。

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，增大聚光角的順向聚焦復合拋物面聚光器基本無光線被反射出去，而傳統的順向聚焦復合拋物面聚光器被反射走的光線則較多。為精確計算，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°的順向聚焦復合拋物面聚光器出光口AB和其熱聲接收器在0°～10°內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分別是傳統的（δ=0°）順向聚焦復合拋物面聚光器出光口AB和其熱聲接收器在0°～10°內所接收到的光線占入射光線總量的比值變化。可見，在范圍內增大聚光角δ=5°的順向聚焦復合拋物面聚光器出光口AB光線接收比均保持在97%以上，而傳統的（δ=0°）順向聚焦復合拋物面聚光器則幾乎呈直線下降趨勢，在入射角為5°時，其出光口AB光線接收比已下降到65.6%。同樣，在5°范圍內增大聚光角δ=5°的順向聚焦復合拋物面聚光器中的熱聲熱機接收器光線接收比均保持在91%以上，而傳統的（δ=0°）順向聚焦復合拋物面聚光器則幾乎呈直線下降趨勢，在入射角為5°時，其中的熱聲熱機接收器光線接收比已下降到60%。

由此可見，相對于單一的順向聚焦復合拋物面聚光器，添加漸開線二次聚光器可以降低裝置對跟蹤精度的要求，提高聚光比，同時避免回熱器受到陽光照射加熱而影響其溫度分布。

5 結論

該文針對熱聲熱機接收器的聚光特點，在復合拋物面聚光器的基礎上，設計了適用于熱聲熱機的太陽能聚光器。該聚光器，將漸開線二次聚光裝置與增大了出光口的復合拋物面聚光器相結合。該文對該聚光器進行設計和數值分析，并與多種聚光器比較。結果表明，結合漸開線二次聚光裝置的順向聚焦復合拋物面聚光器是一種適用于熱聲熱機的太陽能集熱裝置，具有如下優點。

（1）順向傳光技術避免了發動機投影對太陽能集熱效率的不利影響。

（2）二次聚光裝置在提高系統聚光效率的同時，避免了回熱器部分被加熱，影響回熱器溫度分布。

（3）針對接收器的尺寸特點，適當擴大了順向聚焦復合拋物面聚光器的出光口，降低了系統對追蹤精度的要求，節省了系統投入。

（4）聚光系統結構簡單，與熱聲系統耦合方便，便于裝置的設計、安裝、調試與維護。

（5）相對于單一的順向聚焦復合拋物面聚光器，添加漸開線二次聚光器可以降低裝置對跟蹤精度的要求，提高聚光比，同時避免回熱器受到陽光照射加熱而影響其溫度分布。

（6）相對于其他形式的二次聚光器，使用漸開線的二次聚光器在設計角度范圍內聚光效率均高于其他幾類聚光結構，聚光效率可達到91%甚至98%以上。

參考文獻

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