太陽能熱聲發電系統熱電轉換性能仿真研究

董世充，沈國清，張 衡，安連鎖

太陽能熱聲發電系統熱電轉換性能仿真研究

董世充，沈國清，張 衡，安連鎖

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

太陽能驅動的熱聲發電系統是一種具有廣泛應用價值的新型發電系統。本文提出的太陽能熱聲發電系統以高倍環形菲涅爾聚光器對太陽能進行集熱，然后采用行波熱聲發電系統進一步將太陽能熱量轉換為電能。該系統采用光學軟件Lighttools對新型太陽能驅動的環形菲涅爾聚光器進行光學仿真，計算出聚光器的集熱功率，并將集熱功率的計算結果與熱聲模擬軟件DeltaEC相結合，對太陽能熱聲發電系統熱電轉換性能進行了仿真研究。研究結果證明，所提出的太陽能熱聲發電系統可行，并為后續的實驗研究提供了理論依據。

太陽能；熱聲發電系統；環形菲涅爾聚光器；Lighttools軟件；行波軟件；集熱功率；熱電轉換性能

熱聲發動機是一種可將熱能轉換成高強度聲能的新型發動機[1-2]。這種新型發動機結構簡單，整個系統沒有機械運動部件，具有可靠性高的優勢[3]。而且與具有高溫運動部件的斯特林發動機不同，為了提供大幅度的壓力波動，熱聲發動機內通常充入高壓氣體如氦氣、氮氣和氬氣作為工質，具有環保的優勢[4]。另外，利用熱聲發動機驅動發電機組成的熱聲發電系統，有望在低品位能源回收與利用領域應用，而在眾多低品位能源中，太陽能被認為是最佳選擇。在能源與環境問題日益嚴重的今天，太陽能驅動的熱聲發電技術具有重要的科研價值。

1998年美國Pennsylvania大學的Chen和Garrett最先開始了太陽能驅動熱聲發動機的研究[5]。為了提供足夠的太陽能熱量，他們采用1個35英寸直徑、30英寸焦距的菲涅爾透鏡作為太陽能集熱器，用以驅動1臺小型駐波型熱聲發動機，最終可獲得300 W的熱量和7.0 kPa的壓力振幅。從2009年開始何雅玲課題組開展了太陽能熱聲發動機的研究工作，首先從理論分析和初步的實驗驗證了太陽能驅動熱聲發動機的可行性[6]，并最終研制出了1臺以菲涅爾透鏡作為集熱器和小型駐波熱聲發動機組成的太陽能熱聲系統[7]，然后在此基礎上研究了不同工質配比以及發動機幾何參數的變化對起消振蕩溫度和壓力振幅的影響[8]。2012年吳張華等[9]將行波熱聲發電系統與太陽能碟形集熱器相結合后，進行了太陽能熱發電的實驗，最大可獲得200 W的電功率。為了解決熱聲發動機位于聚光器上方而導致在聚光面上產生的陰影最終影響聚光器的集熱效率問題，康慧芳等[10]提出了采用組合拋物面聚光器的順向聚焦集熱技術，設計出了一種太陽能驅動的駐波型熱聲發動機系統，并在實際天氣下，以空氣為工質，當高溫端溫度在643 K時，可獲得0.115 MPa的壓力振幅。

目前，在太陽能熱聲技術的研究中，多采用駐波型熱聲發動機，而行波型的熱聲發動機具有更高的熱效率。其次，這些研究中所選取的太陽能聚光器存在向熱聲系統提供的能量不足或者熱聲系統在聚光器上方而影響集熱效率等問題。本文提出一種以高倍環形菲涅爾聚光器和行波熱聲發電機所組成的太陽能熱聲發電系統，采用光學軟件Lighttools計算出聚光器的集熱功率，并以此為根據采用DeltaEC軟件計算出熱聲發電系統的性能參數，且對所提出的新型太陽能熱聲發電系統進行了仿真研究，可為后續實驗工作提供理論依據。

1 高倍環形菲涅爾聚光器

高倍環形菲涅爾太陽能聚光器結構如圖1所示。反射鏡場由一系列環形鏡組成，每面鏡子的傾斜角度都進行了調整，以避免遮擋。環形鏡的形狀是由圍繞中心軸的固定長度線旋轉形成的。從每個環面中心線反射的光線集中在同一點，因此，平行入射光線在一次反射后集中在焦點周圍的一個小區域內。高倍環形菲涅爾太陽能聚光器共包含 20面環形鏡，其最大圈直徑為1.73 m。

圖1 環形菲涅爾聚光器結構示意

Fig.1 Schematic diagram of the annular Fresnel reflector

為了提高集熱器單位面積的光強，在環形聚光器中間增加了1個菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡的焦距和環形鏡面場設置在同一位置。為了避免陰影和遮擋，菲涅爾透鏡的直徑和焦距分別設置為550 mm和780 mm。

Lighttools是光學和照明系統設計、分析和優化的專業光學機械軟件，用于模擬光線。在Lighttools軟件中，設定環形鏡面為理想的反射鏡，并且太陽光波長和直接輻射分別設置為550 nm和800 W/m2。直徑為100 mm的圓形接收器設置在原點（理論焦點），1×106光線假設為太陽光線。環形菲涅爾聚光器Lighttools軟件光學仿真示意如圖2所示。

Fig 2 The optical simulation sketch of the annular Fresnel reflector in Lighttools

2 行波熱聲發電系統

圖3為行波熱聲發電系統的結構示意。熱聲發電系統由熱聲發動機和直線發電機兩部分組成，當外部熱量進入熱聲發動機內，發動機內會產生高強度熱聲震蕩，并推動直線發電機活塞及其相連的動子做線性往復運動，帶動直線發電機次級運動，產生感應電動勢，在外電路中接入負載電阻將電功引出，最終實現熱-聲-電的能量轉換。

圖3 熱聲發電系統結構示意

熱聲發動機中各部件具體的結構參數見表1。

表1 熱聲發動機各部件結構參數

Tab.1 Geometric parameters of each part of the thermoacoustic engine

本文以RIX Industies公司的1臺直線發電機作為研究對象，將其直線發電機連接在熱聲發動機的諧振管入口處。表2列出了該直線發電機的具體機電參數。

表2 直線發電機參數

Tab.2 Parameters of the linear alternator

3 熱聲發電系統熱電轉換性能計算

3.1 熱電轉換效率計算

熱聲發電系統的電路阻抗虛部定義為

式中：為系統中氣體工質震蕩的角頻率，e為直線發電機線圈電感，e為外電路中串聯電容器的電容值。

計算可得，系統處于機械諧振狀態時，需要串聯1個約500mF的電容器，即可使電路阻抗接近于0，使熱聲發電系統達到電路諧振狀態。

在熱聲計算軟件DeltaEC的計算設置中，假設加熱功率為1 000 W，外電路中的負載電阻為100 Ω，串聯電容為500mF，系統的平均充氣壓力為1.5 MPa。圖4為熱聲發電系統電能輸出與工作頻率的計算結果。由圖4可見，隨著系統工作頻率的增大，電能輸出功率呈現先增大后減小的趨勢，在35 Hz附近，輸出功率達到了極大值，這與上述的發電機諧振頻率計算結果接近。由此可見：工作頻率對熱聲發電系統的電能輸出特性具有極其重要的影響；為了使熱聲發電系統獲得最大的電能輸出，系統工作頻率應維持在接近直線發電機的諧振頻率。

圖4 工作頻率對電能輸出的影響

在熱聲發動機的研究中，通常采用高純氦氣作為研究對象，這是由于：一方面氦氣具有較高的聲速，可產生較大密度的聲功率，在300 K、1 MPa條件下，氦氣的傳播聲速為1 023.85 m/s；另一方面，氦氣的數較低，具有較大的熱滲透深度，可使熱聲系統具有較高的熱聲轉換效率。Zhou等人[13]曾提出了有關熱聲發動機頻率的推測公式：

式中，為氣體工質的聲速，為熱聲發動機諧振管長度。

從式(2)可求得系統采用高純氦氣為工質時，工作頻率約為66 Hz。

在不改變熱聲發電系統結構參數的前提下，為降低其工作頻率以接近直線發電機的諧振頻率，可以在氦氣中加入一些分子量相對較大的氣體（例如氮氣、氬氣等）。圖5為熱聲發電系統以氦氣-氮氣混合氣體為工質時，氦氣摩爾比對系統工作頻率的影響。由圖5可見：隨著氦氣摩爾比的減小，聲速逐漸降低，熱聲發電系統的頻率也隨之降低；當氦氣摩爾比約0.67時，系統的工作頻率達到了直線發電機的諧振頻率35 Hz。

圖5 工質配比對熱聲發電系統工作頻率的影響

圖6為熱聲發電系統內的壓力振幅隨工作頻率的變化。由圖6可看出，隨著工作頻率的升高，壓力振幅卻隨之降低。即使在直線發電機諧振頻率為35 Hz處，壓力振幅也并不是最大，但此處發電機電能輸出卻達到了最大（圖4），可見熱聲發電系統的工作頻率是影響其熱電轉換能力的首要因素。

3.2 太陽能驅動的熱聲發電系統電能輸出計算

在3.1中所計算出在熱聲發電系統最大熱電轉換性能的操作參數下，當熱聲發電系統的驅動熱源為太陽能熱時，需采用Lighttools軟件對環形菲涅爾太陽能聚光器進行仿真研究，以得出該聚光器可為熱聲發電系統提供的加熱功率，最后再利用熱聲計算軟件DeltaEC對整個太陽能熱聲發電系統的電能輸出特性進行計算。

圖6 熱聲發電系統工作頻率對壓力振幅的影響

圖7為接收面半徑對聚光器集熱功率的影響。由圖7可見，隨著接收面半徑的增大，聚光器的集熱功率先急劇增加，當接收面半徑超過50 mm時，集熱功率增長趨勢放緩。因此，為了提高熱聲發電系統的輸入熱量，應使接收面大于50 mm，本文將接收面半徑設為50 mm。

圖7 接收面半徑對集熱功率的影響

圖8為太陽光線入射角偏差對聚光器集熱功率和熱聲發電系統電功輸出特性的影響。由圖8可見：當入射角偏差小于0.4°時，聚光器可收集最大1 512 W的熱量，而熱聲發電裝置可最大輸出126 W的電功率；而當入射角偏差大于0.4°時，入射偏差的進一步增大，太陽光線也會進一步分散，導致集熱器熱功率急劇減小，最終使得熱聲發電系統輸出的電功率隨之減小。

圖8 入射角偏差對集熱功率和輸出電功率的影響

圖9為入射角偏差對熱聲發電系統內的壓力振幅的影響。由圖9可見，增大入射角偏差同樣會使壓力振幅大幅減小，同時直線發電機的驅動力也會減小，從而直接導致熱聲發電系統電能輸出能力減小。因此，太陽光跟蹤精度對整個太陽能熱聲發電系統的性能有著至關重要的影響，追蹤精度越高，聚光器的集熱功率越高，系統的電能輸出特性就越好。

圖9 入射角偏差對壓力振幅的影響

4 結 論

1）本文設計了一種以高倍環形菲涅爾聚光器對太陽能進行集熱，然后采用行波熱聲發電系統將太陽能熱量進一步轉換為電能的新型太陽能熱聲發電系統。以氦氣-氮氣混合氣體作為熱聲發電系統的工質，可調節系統工作頻率接近直線發電機的諧振頻率，從而使直線發電機達到機械諧振狀態，以此提高系統熱電轉換能力。

2）仿真研究表明，當太陽能熱量作為驅動源時，太陽光接收面半徑大于50 mm，且入射角偏差小于0.4°時，整個太陽能熱聲發電系統最大可收集1 512 W的熱量，輸出126 W的電功率。這從理論角度驗證了新型太陽能熱聲發電系統的可行性，為后續的實驗研究提供了依據。

［1］ BACKHAUS S, SWIFT G W. A thermoacoustic stirling heat engine[J]. Nature, 1999, 399: 335-338.

［2］ TIJANI M E H, SPOELSTRA S. A high performance thermoacoustic engine[J]. Journal of Applied Physics, 2011, 110(9): 093519.

［3］ ABDULJALIL A S, YU Z, JAWORSKI A J. Selection and experimental evaluation of low-cost porous materials for regenerator applications in thermoacoustic engines[J]. Materials & Design, 2011, 32(1): 217-228.

［4］ JIN T, HUANG J, FENG Y, et al. Thermoacoustic prime movers and refrigerators: Thermally powered engines without moving components[J]. Energy, 2015, 93: 828-853.

［5］ CHEN R L, GARRETT S L. Solar/heat driven thermoacoustic engine[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 1998, 103(5): 2841-2841.

［6］ 沈超, 何雅玲, 李玉光, 等. 太陽能熱聲發動機的設計與性能仿真[J]. 工程熱物理學報, 2009, 30(7): 1098-1100. SHEN Chao, HE Yaling, LI Yuguang, et al. Design and performance simulation of solar powered thermoacoustic engine[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2009, 30(7): 1098-1100.

［7］ 古鑫, 何雅玲, 沈超, 等. 一種太陽能熱聲發動機的研制及其性能研究[J]. 工程熱物理學報, 2014, 35(6): 1040-1044.[J]2014, 35(6): 1040-1044.

［8］ 李玉光, 何雅玲, 王新, 等. 太陽能熱聲發動機熱力性能的實驗研究[J]. 工程熱物理學報, 2010, 31(6): 925-928. LI Yuguang, HE Yaling, WANG Xin, et al. Experimental study in thermodynamic performance of solar powered thermoacoustic engine[J].2010, 31(6): 925-928.

［9］ 吳張華, 羅二倉, 李海冰, 等. 1 kW碟式太陽能行波熱聲發電系統[J]. 工程熱物理學報, 2012, 33(1): 19-22.1 kW solar-powered traveling-wave thermoacoustic electricity generation system[J].2012, 33(1): 19-22.

［10］ 康慧芳, 江釩, 邢樂樂, 等. 整體式太陽能驅動熱聲發動機[J]. 太陽能學報, 2014, 35(10): 2049-2053.[J]2014, 35(10): 2049-2053.

［11］ 王凱, 孫大明, 郭軼楠, 等. 行波熱聲發電系統的諧振特性研究[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(9): 1423-1428.[J]2014, 34(9): 1423-1428.

［12］ 孫大明, 王凱, 樓平, 等. 斯特林型熱聲發動機驅動直線發電機的工作特性[J]. 浙江大學學報(工學版), 2013, 47(8): 1457-1462.[J]2013, 47(8): 1457-1462.

［13］ ZHOU S L, MATSUBARA Y. Experimental research of thermoacoustic prime mover[J]. Cryogenics, 1998, 38(8): 813-822.

Simulation on thermoelectric conversion performance of solar-driven thermoacoustic power generation system

DONG Shichong, SHEN Guoqing, ZHANG Heng, AN Liansuo

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Thermoacoustic power generation system driven by solar energy is one of the new power generation systems with wide application value. In the thermoacoustic power generation system proposed in this paper, a high-power annular Fresnel reflector is used to collect heat from the sun, and then the collected heat is converted into electricity by applying traveling-wav8e thermoacoustic electric generation system. The optical software Lighttools is used to simulate the annular Fresnel reflector optically and calculate the reflector’s thermal power, and combining with the thermoacoustic simulation software DeltaEC, numerical simulation on thermoelectric conversion performance of the solar-driven thermoacoustic power generation system is carried out. The results validates the feasibility of the solar-driven thermoacoustic power generation system and provides theoretical basis for subsequent experimental researches.

solar energy, thermoacoustic power generation system, annular Fresnel reflector, Lighttools soft ware, traveling-wave, heat collecting power, thermoelectric conversion performance

TM615

A

10.19666/j.rlfd.201904060

董世充, 沈國清, 張衡, 等. 太陽能熱聲發電系統熱電轉換性能仿真研究[J]. 熱力發電, 2019, 48(7): 59-63. DONG Shichong, SHEN Guoqing, ZHANG Heng, et al. Simulation on thermoelectric conversion performance of solar-driven thermoacoustic power generation system[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 59-63.

2019-04-01

中央高校基本科研業務費專項資金資助(2017ZZD001)

Supported by：Fundamental Research Funds for the Central Universities (2017ZZD001)

董世充(1988—)，男，博士研究生，主要研究方向為熱聲發電技術，dongsc@ncepu.edu.cn。

沈國清(1980—)，男，副教授，碩士生導師，shenguoqing@ncepu.edu.cn。

（責任編輯 楊嘉蕾）