适用于太阳能驱动热声发动机的二次聚光器设计

陈翔 丁夏琛 康慧芳

摘 要：将绿色环保的可再生能源太阳能与高可靠性、无污染、潜在效率高的热声系统结合，是一个全新的、极具前景的研究方向。但已有的太阳能驱动热声系统所采用的传统聚光器，系统复杂，运行调试困难；目前尚缺乏针对热声系统的太阳能聚光器的设计。为此，该文提出了一种适用于太阳能驱动热声发动机的光漏斗一次聚光和渐开线二次聚光器结构，介绍了二次聚光系统的设计方法，并使用Light Tools软件对所设计的聚光器进行仿真计算，并与多种聚光器进行对比分析。结果表明，结合渐开线二次聚光装置的顺向聚焦复合抛物面聚光器，提高了系统的聚光效率，降低了对系统跟踪精度的要求，并且结构简单，易于安装、调试、维护，是一种适用于热声热机的太阳能集热装置。

关键词：太阳能；热声；渐开线；二次聚光；光漏斗

中图分类号：TK123 文献标志码：A

1 太阳能驱动热声热机系统概述

热声发动机利用热声效应将太阳能集热器收集的热能转化为声能，产生的声能可以用来驱动制冷单元制冷，或驱动发电单元发电。在太阳能驱动热声发电系统中，当发动机回热器温度梯度达到其临界值时，将激发声波，声波使气体微团在发动机回热器中经历压缩—加热—膨胀—冷却热动力学循环，实现无运动部件条件下的热声转换。与传统的发动机技术相比，太阳能驱动热声发动机具备许多独特的优点，主要体现在以下3点。

（1）结构简单、可靠性高、使用寿命长，尤其是热声发动机可以实现完全无运动部件。

（2）无污染发电技术，太阳能热声发电以太阳能为热源，完全无污染；系统采用太阳能集热器，与太阳能光伏发电相比，集热器结构简单，材料经济无污染且使用寿命较长；热声发动机采用氮气、氦气等惰性气体作为工质，可以避免气体泄露对大气层造成破坏。

（3）通过提高热声发动机的频率实现控制系统结构大小，适用规模范围广。

将绿色环保的可再生能源太阳能与高可靠性、无污染、潜在效率高的热声系统结合，并配以发电单元实现“光—热—声—电”转换是一个全新的、极具前景的研究方向，在能源与环境问题日益突出的今天有着显而易见的重要意义，也为航天和传统能源稀缺地区的能源供给提供了新的方向。

最早利用太阳能作为驱动源的热声系统，是美国宾州大学的Chen和Garrett于1998年研制的第一台使用太阳能驱动的驻波型热声发动机。该系统由陶瓷板叠和一根40 cm长的玻璃谐振管组成，由一个小型碟式集热器将太阳光聚焦到陶瓷热声板叠一端进行加热，稳定工作频率为420 Hz，距离开口端1 m处可以测得120 dB的声波。该系统验证了太阳能作为热声发动机驱动源的可行性，为以后太阳能热声技术的发展做了铺垫。与太阳能相结合的热声技术更加显著地体现了环保、节能等优点。2000年，美国海军研究生院设计了一台太阳能驱动的热声制冷机，其热声发动机利用一个直径0.457 m的菲涅耳透镜将太阳光聚集到板叠的热端，将板叠的热端加热到475 ℃，热声发动机产生的声功驱动热声制冷机，在冷端温度为5 ℃时获得2.5 W的制冷量，此时温降为23 ℃。这一结果证明了太阳能驱动热声制冷机的方案是可行的，在实用性、简单性和可靠性方面具有很大的潜力。2010年，中科院罗二仓研究小组利用一台太阳能驱动的千瓦级的行波热声发动机驱动线性发电机，以氦气为工质，工作频率为76.8 Hz，在平均压力为3.6 MPa时获得了最大137 W的发电量；在平均压力为4.5 MPa时获得了最大250 W的发电量。初步验证了太阳能行波热声发电这种新技术的可行性，为可再生能源的利用开辟了一条新的道路。

目前，太阳能驱动热声热机系统中，要么热声热机位于聚光装置的上方，会影响聚光器的集热效率；要么太阳能聚光装置较为庞大，与热声装置相互独立，造价较高，会造成系统复杂化和运行调试困难。相对于传统的太阳能光热和光伏利用技术，太阳能驱动热声系统的板叠式换热器适宜直接接收太阳光，并进行光—热—声的转换，换热式接收器与热声系统一体化设计。另外，在现有的太阳能驱动热声发电系统的设计中，缺乏有针对性的太阳能聚光系统的设计和研究。

为此，该文设计了一种适用于太阳能驱动热声发动机的光漏斗一次聚光和渐开线二次聚光器结构，如图1所示。该聚光器针对热声热机接收器的聚光特点，将渐开线二次聚光装置与增大了出光口的复合抛物面聚光器相结合，提高了系统的聚光效率，降低了对系统跟踪精度的要求，并且结构简单，易于安装、调试、维护。该文将对该聚光器进行结构设计和数值仿真研究。

2 顺向聚焦复合抛物面聚光器

该文采用复合抛物面聚光器的顺向聚焦集热技术，由于集光装置的焦点不在反射凹面的内侧，而在其圆柱镜反射面形成的直筒内；發动机加热器直接放置在直筒中集光装置光线聚集部分，热声热机装置不会在反射面上产生阴影，增加了反射面的集光面积，从而提高太阳能驱动热声热机的实际效率，也给太阳能驱动热声热机装置的设计、安装、调试和维修维护提供便利。

如图2所示，顺向聚焦复合抛物面聚光器是由平移的抛物面构成的，结合了传统的复合抛物面聚光器顺向传光和抛物面聚光器成像聚焦的优点。出射光成像聚焦可为热声发动机提供起振以及工作时高温端所需的中高温；而顺向传光又避免了热声热机回热器冷端和谐振腔被加热以及逆向反射阴影造成的聚光损失，同时，由于焦点在聚光器后端的外部，使其易于与热声热机相连，热声热机的接收器的形状大小、支架和工质流通管道也都不会对入射的光路造成影响。

设计聚光器时，希望有较大的α和较小的β，为了兼顾二者，m的取值约为0.3～0.5。

热声热机的主要换能部件是回热器，需要加热回热器的热端，同时冷却回热器的冷端，以得到温度梯度使其产生热声效应。以驻波型热声热机为例，回热器热端一般为圆柱形的加热肋片连接一段谐振腔，如图5所示，其主要的加热部位为圆柱肋片的环状部分和谐振腔表面，而回热器部分则需要进行绝热处理。

3 渐开线二次聚光结构设计

单一采用顺向聚焦复合抛物面聚光器，有部分光线从热声热机与反射镜壁面之间漏出，另外当入射角偏离0°时，有光线入射到回热器外壁面，影响回热器温度分布。因此需设计二次聚光器，降低装置对跟踪精度的要求，提高聚光比，同时避免回热器受到阳光照射加热而影响其温度分布。

渐开线的显著特点是其每一点的法线都与基圆相切，渐开线可以将任何角度进入的光线都汇集到基圆上，能有效地将进入出光口的光线聚集到接收器上，同时在跟踪精度不足的情况下提高接收能力。为此，该文选择渐开线为二次聚光器。

当放置一个高于基圆并与之内侧相切的热声接收器时，法线与接收器均相交于基圆顶部以下圆心以上的位置。因此，平面上任意方向进入渐开线的光线都将被反射到热声接收器上，可实现平面任意方向的完全聚光。如图7所示，为渐开线二次聚光器的基本设计结构图，由2条相同大小基圆的渐开线构成，其发生线与基圆顶部相切，以保证任何方向进入出光口的光线都能汇聚到接收器上。热声热机头部作为接收器位于正中，其两侧分别与两基圆内侧相切，加热肋片底部与二次聚光器相连，以避免加热回热器部分。已知热声热机直径为?，出光口直径为L（使用顺向聚焦复合抛物面聚光器时L=l），令θ+α=t（t≥π/2），t为两个角的和。即可得出基圆半径r与?和L的关系。

其入射角为5°的平面光路如图10（a）所示，可见在入射角为5°时，增大聚光角的顺向聚焦复合抛物面聚光器基本无光线被反射出去，而传统的顺向聚焦复合抛物面聚光器被反射走的光线则较多。为精确计算，该文模拟太阳光以0°～10°入射角入射聚光器，入射光线为10 000条，比较出光口AB（AB）和热声接收器所接收到的光线占入射光线总量的比值，如图10（b）所示。图中曲线1和2分别是增大聚光角δ=5°的顺向聚焦复合抛物面聚光器出光口AB和其热声接收器在0°～10°内的所接收到的光线占入射光线总量的比值变化，曲线3和4分别是传统的（δ=0°）顺向聚焦复合抛物面聚光器出光口AB和其热声接收器在0°～10°内所接收到的光线占入射光线总量的比值变化。可见，在范围内增大聚光角δ=5°的顺向聚焦复合抛物面聚光器出光口AB光线接收比均保持在97%以上，而传统的（δ=0°）顺向聚焦复合抛物面聚光器则几乎呈直线下降趋势，在入射角为5°时，其出光口AB光线接收比已下降到65.6%。同样，在5°范围内增大聚光角δ=5°的顺向聚焦复合抛物面聚光器中的热声热机接收器光线接收比均保持在91%以上，而传统的（δ=0°）顺向聚焦复合抛物面聚光器则几乎呈直线下降趋势，在入射角为5°时，其中的热声热机接收器光线接收比已下降到60%。

由此可见，相对于单一的顺向聚焦复合抛物面聚光器，添加渐开线二次聚光器可以降低装置对跟踪精度的要求，提高聚光比，同时避免回热器受到阳光照射加热而影响其温度分布。

5 结论

该文针对热声热机接收器的聚光特点，在复合抛物面聚光器的基础上，设计了适用于热声热机的太阳能聚光器。该聚光器，将渐开线二次聚光装置与增大了出光口的复合抛物面聚光器相结合。该文对该聚光器进行设计和数值分析，并与多种聚光器比较。结果表明，结合渐开线二次聚光装置的顺向聚焦复合抛物面聚光器是一种适用于热声热机的太阳能集热装置，具有如下优点。

（1）顺向传光技术避免了发动机投影对太阳能集热效率的不利影响。

（2）二次聚光装置在提高系统聚光效率的同时，避免了回热器部分被加热，影响回热器温度分布。

（3）针对接收器的尺寸特点，适当扩大了顺向聚焦复合抛物面聚光器的出光口，降低了系統对追踪精度的要求，节省了系统投入。

（4）聚光系统结构简单，与热声系统耦合方便，便于装置的设计、安装、调试与维护。

（5）相对于单一的顺向聚焦复合抛物面聚光器，添加渐开线二次聚光器可以降低装置对跟踪精度的要求，提高聚光比，同时避免回热器受到阳光照射加热而影响其温度分布。

（6）相对于其他形式的二次聚光器，使用渐开线的二次聚光器在设计角度范围内聚光效率均高于其他几类聚光结构，聚光效率可达到91%甚至98%以上。

参考文献

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