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，是一個全新的、極具前景的研究方向。但已有的太陽能驅(qū)動熱聲系統(tǒng)所采用的傳統(tǒng)聚光器，系統(tǒng)復(fù)雜，運行調(diào)試困難；目前尚缺乏針對熱聲系統(tǒng)的太陽能聚光器的設(shè)計。為此，該文提出了一種適用于太陽能驅(qū)動熱聲發(fā)動機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)計方法，并使用Light Tools軟件對所設(shè)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(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，是一種適用于熱聲熱機的太陽能集熱裝置。

關(guān)鍵詞：太陽能；熱聲；漸開線；二次聚光；光漏斗

中圖分類號：TK123 文獻標志碼：A

1 太陽能驅(qū)動熱聲熱機系統(tǒng)概述

熱聲發(fā)動機利用熱聲效應(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)動制冷單元制冷，或驅(qū)動發(fā)電單元發(fā)電。在太陽能驅(qū)動熱聲發(fā)電系統(tǒng)中，當發(fā)動機回熱器溫度梯度達到其臨界值時，將激發(fā)聲波，聲波使氣體微團在發(fā)動機回熱器中經(jīng)歷壓縮—加熱—膨脹—冷卻熱動力學循環(huán)，實現(xiàn)無運動部件條件下的熱聲轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)的發(fā)動機技術(shù)相比，太陽能驅(qū)動熱聲發(fā)動機具備許多獨特的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在以下3點。

（1）結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、使用壽命長，尤其是熱聲發(fā)動機可以實現(xiàn)完全無運動部件。

（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)濟無污染且使用壽命較長；熱聲發(fā)動機采用氮氣、氦氣等惰性氣體作為工質(zhì)，可以避免氣體泄露對大氣層造成破壞。

（3）通過提高熱聲發(fā)動機的頻率實現(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)電單元實現(xiàn)“光—熱—聲—電”轉(zhuǎn)換是一個全新的、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)動源的熱聲系統(tǒng)，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(qū)動的駐波型熱聲發(fā)動機。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(wěn)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(tǒng)驗證了太陽能作為熱聲發(fā)動機驅(qū)動源的可行性，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。2000年，美國海軍研究生院設(shè)計了一臺太陽能驅(qū)動的熱聲制冷機，其熱聲發(fā)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(fā)動機產(chǎn)生的聲功驅(qū)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(jié)果證明了太陽能驅(qū)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(qū)動的千瓦級的行波熱聲發(fā)動機驅(qū)動線性發(fā)電機，以氦氣為工質(zhì)，工作頻率為76.8 Hz，在平均壓力為3.6 MPa時獲得了最大137 W的發(fā)電量；在平均壓力為4.5 MPa時獲得了最大250 W的發(fā)電量。初步驗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)動熱聲熱機系統(tǒng)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(tǒng)復(fù)雜化和運行調(diào)試困難。相對于傳統(tǒng)的太陽能光熱和光伏利用技術(shù)，太陽能驅(qū)動熱聲系統(tǒng)的板疊式換熱器適宜直接接收太陽光，并進行光—熱—聲的轉(zhuǎn)換，換熱式接收器與熱聲系統(tǒng)一體化設(shè)計。另外，在現(xiàn)有的太陽能驅(qū)動熱聲發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計中，缺乏有針對性的太陽能聚光系統(tǒng)的設(shè)計和研究。

為此，該文設(shè)計了一種適用于太陽能驅(qū)動熱聲發(fā)動機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(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。該文將對該聚光器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(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(chǎn)生陰影，增加了反射面的集光面積，從而提高太陽能驅(qū)動熱聲熱機的實際效率，也給太陽能驅(qū)動熱聲熱機裝置的設(shè)計、安裝、調(diào)試和維修維護提供便利。

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。出射光成像聚焦可為熱聲發(fā)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(zhì)流通管道也都不會對入射的光路造成影響。

設(shè)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(chǎn)生熱聲效應(yīng)。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(huán)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(jié)構(gòu)設(shè)計

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(shè)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(nèi)側(cè)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(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(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(fù)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(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，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，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(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，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(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(jié)論

該文針對熱聲熱機接收器的聚光特點，在復(fù)合拋物面聚光器的基礎(chǔ)上，設(shè)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(fù)合拋物面聚光器相結(jié)合。該文對該聚光器進行設(shè)計和數(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的太陽能集熱裝置，具有如下優(yōu)點。

（1）順向傳光技術(shù)避免了發(fā)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(tǒng)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(fù)合拋物面聚光器的出光口，降低了系統(tǒng)對追蹤精度的要求，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、安裝、調(diào)試與維護。

（5）相對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(shè)計角度范圍內(nèi)聚光效率均高于其他幾類聚光結(jié)構(gòu)，聚光效率可達到91%甚至98%以上。

參考文獻

[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)工作機理的研究[D].北京：中國科學院理化技術(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].工程熱物理學報，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，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].工程熱物理學報，2008， 29（9）：1467-1470.