董世充，沈國(guó)清，張 衡，安連鎖

太陽能熱聲發(fā)電系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換性能仿真研究

董世充，沈國(guó)清，張 衡，安連鎖

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

太陽能驅(qū)動(dòng)的熱聲發(fā)電系統(tǒng)是一種具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的新型發(fā)電系統(tǒng)。本文提出的太陽能熱聲發(fā)電系統(tǒng)以高倍環(huán)形菲涅爾聚光器對(duì)太陽能進(jìn)行集熱，然后采用行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)一步將太陽能熱量轉(zhuǎn)換為電能。該系統(tǒng)采用光學(xué)軟件Lighttools對(duì)新型太陽能驅(qū)動(dòng)的環(huán)形菲涅爾聚光器進(jìn)行光學(xué)仿真，計(jì)算出聚光器的集熱功率，并將集熱功率的計(jì)算結(jié)果與熱聲模擬軟件DeltaEC相結(jié)合，對(duì)太陽能熱聲發(fā)電系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了仿真研究。研究結(jié)果證明，所提出的太陽能熱聲發(fā)電系統(tǒng)可行，并為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)。

太陽能；熱聲發(fā)電系統(tǒng)；環(huán)形菲涅爾聚光器；Lighttools軟件；行波軟件；集熱功率；熱電轉(zhuǎn)換性能

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是一種可將熱能轉(zhuǎn)換成高強(qiáng)度聲能的新型發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]。這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)系統(tǒng)沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，具有可靠性高的優(yōu)勢(shì)[3]。而且與具有高溫運(yùn)動(dòng)部件的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)不同，為了提供大幅度的壓力波動(dòng)，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)通常充入高壓氣體如氦氣、氮?dú)夂蜌鍤庾鳛楣べ|(zhì)，具有環(huán)保的優(yōu)勢(shì)[4]。另外，利用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組成的熱聲發(fā)電系統(tǒng)，有望在低品位能源回收與利用領(lǐng)域應(yīng)用，而在眾多低品位能源中，太陽能被認(rèn)為是最佳選擇。在能源與環(huán)境問題日益嚴(yán)重的今天，太陽能驅(qū)動(dòng)的熱聲發(fā)電技術(shù)具有重要的科研價(jià)值。

1998年美國(guó)Pennsylvania大學(xué)的Chen和Garrett最先開始了太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的研究[5]。為了提供足夠的太陽能熱量，他們采用1個(gè)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(qū)動(dòng)1臺(tái)小型駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，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(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作，首先從理論分析和初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性[6]，并最終研制出了1臺(tái)以菲涅爾透鏡作為集熱器和小型駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)組成的太陽能熱聲系統(tǒng)[7]，然后在此基礎(chǔ)上研究了不同工質(zhì)配比以及發(fā)動(dòng)機(jī)幾何參數(shù)的變化對(duì)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(fā)電系統(tǒng)與太陽能碟形集熱器相結(jié)合后，進(jìn)行了太陽能熱發(fā)電的實(shí)驗(yàn)，最大可獲得200 W的電功率。為了解決熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)位于聚光器上方而導(dǎo)致在聚光面上產(chǎn)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(shù)，設(shè)計(jì)出了一種太陽能驅(qū)動(dòng)的駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，并在實(shí)際天氣下，以空氣為工質(zhì)，當(dāng)高溫端溫度在643 K時(shí)，可獲得0.115 MPa的壓力振幅。

目前，在太陽能熱聲技術(shù)的研究中，多采用駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，而行波型的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)提供的能量不足或者熱聲系統(tǒng)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(huán)形菲涅爾聚光器和行波熱聲發(fā)電機(jī)所組成的太陽能熱聲發(fā)電系統(tǒng)，采用光學(xué)軟件Lighttools計(jì)算出聚光器的集熱功率，并以此為根據(jù)采用DeltaEC軟件計(jì)算出熱聲發(fā)電系統(tǒng)的性能參數(shù)，且對(duì)所提出的新型太陽能熱聲發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，可為后續(xù)實(shí)驗(yàn)工作提供理論依據(jù)。

1 高倍環(huán)形菲涅爾聚光器

高倍環(huán)形菲涅爾太陽能聚光器結(jié)構(gòu)如圖1所示。反射鏡場(chǎng)由一系列環(huán)形鏡組成，每面鏡子的傾斜角度都進(jìn)行了調(diào)整，以避免遮擋。環(huán)形鏡的形狀是由圍繞中心軸的固定長(zhǎng)度線旋轉(zhuǎn)形成的。從每個(gè)環(huán)面中心線反射的光線集中在同一點(diǎn)，因此，平行入射光線在一次反射后集中在焦點(diǎn)周圍的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)。高倍環(huán)形菲涅爾太陽能聚光器共包含 20面環(huán)形鏡，其最大圈直徑為1.73 m。

圖1 環(huán)形菲涅爾聚光器結(jié)構(gòu)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(qiáng)，在環(huán)形聚光器中間增加了1個(gè)菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡的焦距和環(huán)形鏡面場(chǎng)設(shè)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(shè)置為550 mm和780 mm。

Lighttools是光學(xué)和照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的專業(yè)光學(xué)機(jī)械軟件，用于模擬光線。在Lighttools軟件中，設(shè)定環(huán)形鏡面為理想的反射鏡，并且太陽光波長(zhǎng)和直接輻射分別設(shè)置為550 nm和800 W/m2。直徑為100 mm的圓形接收器設(shè)置在原點(diǎn)（理論焦點(diǎn)），1×106光線假設(shè)為太陽光線。環(huán)形菲涅爾聚光器Lighttools軟件光學(xué)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(fā)電系統(tǒng)

圖3為行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意。熱聲發(fā)電系統(tǒng)由熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和直線發(fā)電機(jī)兩部分組成，當(dāng)外部熱量進(jìn)入熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度熱聲震蕩，并推動(dòng)直線發(fā)電機(jī)活塞及其相連的動(dòng)子做線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)次級(jí)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在外電路中接入負(fù)載電阻將電功引出，最終實(shí)現(xiàn)熱-聲-電的能量轉(zhuǎn)換。

圖3 熱聲發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中各部件具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)

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

本文以RIX Industies公司的1臺(tái)直線發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，將其直線發(fā)電機(jī)連接在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的諧振管入口處。表2列出了該直線發(fā)電機(jī)的具體機(jī)電參數(shù)。

表2 直線發(fā)電機(jī)參數(shù)

Tab.2 Parameters of the linear alternator

3 熱聲發(fā)電系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換性能計(jì)算

3.1 熱電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算

熱聲發(fā)電系統(tǒng)的電路阻抗虛部定義為

式中：為系統(tǒng)中氣體工質(zhì)震蕩的角頻率，e為直線發(fā)電機(jī)線圈電感，e為外電路中串聯(lián)電容器的電容值。

計(jì)算可得，系統(tǒng)處于機(jī)械諧振狀態(tài)時(shí)，需要串聯(lián)1個(gè)約500mF的電容器，即可使電路阻抗接近于0，使熱聲發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到電路諧振狀態(tài)。

在熱聲計(jì)算軟件DeltaEC的計(jì)算設(shè)置中，假設(shè)加熱功率為1 000 W，外電路中的負(fù)載電阻為100 Ω，串聯(lián)電容為500mF，系統(tǒng)的平均充氣壓力為1.5 MPa。圖4為熱聲發(fā)電系統(tǒng)電能輸出與工作頻率的計(jì)算結(jié)果。由圖4可見，隨著系統(tǒng)工作頻率的增大，電能輸出功率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在35 Hz附近，輸出功率達(dá)到了極大值，這與上述的發(fā)電機(jī)諧振頻率計(jì)算結(jié)果接近。由此可見：工作頻率對(duì)熱聲發(fā)電系統(tǒng)的電能輸出特性具有極其重要的影響；為了使熱聲發(fā)電系統(tǒng)獲得最大的電能輸出，系統(tǒng)工作頻率應(yīng)維持在接近直線發(fā)電機(jī)的諧振頻率。

圖4 工作頻率對(duì)電能輸出的影響

在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的研究中，通常采用高純氦氣作為研究對(duì)象，這是由于：一方面氦氣具有較高的聲速，可產(chǎn)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(shù)較低，具有較大的熱滲透深度，可使熱聲系統(tǒng)具有較高的熱聲轉(zhuǎn)換效率。Zhou等人[13]曾提出了有關(guān)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)頻率的推測(cè)公式：

式中，為氣體工質(zhì)的聲速，為熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)諧振管長(zhǎng)度。

從式(2)可求得系統(tǒng)采用高純氦氣為工質(zhì)時(shí)，工作頻率約為66 Hz。

在不改變熱聲發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，為降低其工作頻率以接近直線發(fā)電機(jī)的諧振頻率，可以在氦氣中加入一些分子量相對(duì)較大的氣體（例如氮?dú)?、氬氣等）。圖5為熱聲發(fā)電系統(tǒng)以氦氣-氮?dú)饣旌蠚怏w為工質(zhì)時(shí)，氦氣摩爾比對(duì)系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)的頻率也隨之降低；當(dāng)氦氣摩爾比約0.67時(shí)，系統(tǒng)的工作頻率達(dá)到了直線發(fā)電機(jī)的諧振頻率35 Hz。

圖5 工質(zhì)配比對(duì)熱聲發(fā)電系統(tǒng)工作頻率的影響

圖6為熱聲發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)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(fā)電機(jī)諧振頻率為35 Hz處，壓力振幅也并不是最大，但此處發(fā)電機(jī)電能輸出卻達(dá)到了最大（圖4），可見熱聲發(fā)電系統(tǒng)的工作頻率是影響其熱電轉(zhuǎn)換能力的首要因素。

3.2 太陽能驅(qū)動(dòng)的熱聲發(fā)電系統(tǒng)電能輸出計(jì)算

在3.1中所計(jì)算出在熱聲發(fā)電系統(tǒng)最大熱電轉(zhuǎn)換性能的操作參數(shù)下，當(dāng)熱聲發(fā)電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源為太陽能熱時(shí)，需采用Lighttools軟件對(duì)環(huán)形菲涅爾太陽能聚光器進(jìn)行仿真研究，以得出該聚光器可為熱聲發(fā)電系統(tǒng)提供的加熱功率，最后再利用熱聲計(jì)算軟件DeltaEC對(duì)整個(gè)太陽能熱聲發(fā)電系統(tǒng)的電能輸出特性進(jìn)行計(jì)算。

圖6 熱聲發(fā)電系統(tǒng)工作頻率對(duì)壓力振幅的影響

圖7為接收面半徑對(duì)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(dāng)接收面半徑超過50 mm時(shí)，集熱功率增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩。因此，為了提高熱聲發(fā)電系統(tǒng)的輸入熱量，應(yīng)使接收面大于50 mm，本文將接收面半徑設(shè)為50 mm。

圖7 接收面半徑對(duì)集熱功率的影響

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

圖8 入射角偏差對(duì)集熱功率和輸出電功率的影響

圖9為入射角偏差對(duì)熱聲發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的壓力振幅的影響。由圖9可見，增大入射角偏差同樣會(huì)使壓力振幅大幅減小，同時(shí)直線發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力也會(huì)減小，從而直接導(dǎo)致熱聲發(fā)電系統(tǒng)電能輸出能力減小。因此，太陽光跟蹤精度對(duì)整個(gè)太陽能熱聲發(fā)電系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的影響，追蹤精度越高，聚光器的集熱功率越高，系統(tǒng)的電能輸出特性就越好。

圖9 入射角偏差對(duì)壓力振幅的影響

4 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)了一種以高倍環(huán)形菲涅爾聚光器對(duì)太陽能進(jìn)行集熱，然后采用行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)將太陽能熱量進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電能的新型太陽能熱聲發(fā)電系統(tǒng)。以氦氣-氮?dú)饣旌蠚怏w作為熱聲發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)，可調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率接近直線發(fā)電機(jī)的諧振頻率，從而使直線發(fā)電機(jī)達(dá)到機(jī)械諧振狀態(tài)，以此提高系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換能力。

2）仿真研究表明，當(dāng)太陽能熱量作為驅(qū)動(dòng)源時(shí)，太陽光接收面半徑大于50 mm，且入射角偏差小于0.4°時(shí)，整個(gè)太陽能熱聲發(fā)電系統(tǒng)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(yàn)證了新型太陽能熱聲發(fā)電系統(tǒng)的可行性，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究提供了依據(jù)。

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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(guó)清, 張衡, 等. 太陽能熱聲發(fā)電系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換性能仿真研究[J]. 熱力發(fā)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(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)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?yàn)闊崧暟l(fā)電技術(shù)，dongsc@ncepu.edu.cn。

沈國(guó)清(1980—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，shenguoqing@ncepu.edu.cn。

（責(zé)任編輯 楊嘉蕾）