适用于太阳能驱动热声发动机的二次聚光器设计

陈 翔1  丁夏琛2  康慧芳2

(1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心,北京  100160;

2.北京理工大学机械与车辆学院,北京  100081)

 

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,使得系统复杂,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,本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

0 前言

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:(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,太阳能热声发电依靠太阳能为热源,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[1, 2]。该系统由陶瓷板叠和一根40cm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420Hz,距离开口端1m处可以测得120dB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。与太阳能利用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[3],其热声发动机利用一个直径0.457m的菲涅耳透镜将太阳光聚集到板叠的热端,将板叠热端加热到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2.5W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kW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[4,5]。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,或者热声热机位于聚光装置的上方[4,5],影响聚光器的集热效率;或者太阳能聚光装置较为庞大,与热声装置相互独立,造价较高,造成了系统复杂和运行调试困难[1-3]。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,现有的太阳能驱动热声发电系统的设计中,缺乏针对性的太阳能聚光系统的设计和研究。

 

为此,本文设计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。本文将对该聚光器进行结构设计和数值仿真研究。

1 顺向聚焦复合抛物面聚光器

本文采用复合抛物面聚光器[6]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;发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、调试和维修维护带来方便。

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[7]。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。

针对热声热机的接收器为一定半径的圆柱外环表面,而并非一个点,可以适当调节聚焦位置而不影响其聚焦效果这一特点,可适当扩大顺向聚焦复合抛物面聚光器出光口半径[8],增大聚光角 ,使以角度 入射的光线也能聚焦到接收器而不被反射走,从而有效降低对跟踪系统的要求和投入。其阳光的汇聚情况如图3。


图2中,反射面的抛物线的方程为[8]:

, 分别为两抛物线焦点,线段AB位于焦点上方且|AB|= ,如此即可得到聚光器的焦点F。为保证AB位于焦点上方,则抛物线正焦弦的一半 必须小于 ,即 。同时,可计算最大进光口CD的宽度为|CD| ,二次反射面AE的最短长度为|AN| 。

顺向聚焦复合抛物面聚光器的聚光能力由进光口CD与出光口AB的比 来衡量, 越大则汇聚能力越强。而聚光器高度与进光口宽度的比值 则可以衡量装置稳定性和经济性, 越小则抛物面面积越小,重心也越低,从而经济性和稳定性越好。将 定义为聚光器的集合因子,用 代替,可得:

和 随 的变化趋势如图4所示。

设计聚光器时,希望有较大的 和较小的 ,为了兼顾二者, 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。

2 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之上,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情况下提高接收能力。为此,本文选择渐开线为二次聚光器。

直线在圆上纯滚动时,直线上一点K的轨迹称为该圆的渐开线,该圆称为渐开线的基圆,直线称为渐开线的发生线,如图6所示。渐开线方程为:

式中, 为基圆半径; 为展角, 为压力角,单位为弧度。

 

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之上,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,由两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 (使用顺向聚焦复合抛物面聚光器时 ),令 即可得出基圆半径 与 和 的关系。

如图7所示,

 

求得,

 

为充分接收光线,一般要求谐振腔顶部要高于或等于基圆顶部,为了减少传热损失光线最好能集中在加热肋片部分甚至其下端。所以,在保持 不变(即保持接收器外壁到出光口壁面距离 不变)的情况下需要尽量缩短基圆顶部与渐开线底部的距离 。

如图8所示,

求得,

由于 为定值,可得 与 的关系如图9所示。并且, 存在最大值 和极小值 ,当 取 时, 分别为 。

而当已知热声热机给定的 和 时,出光口直径为 与 存在如下关系:

如图9所示, 存在最小值 和极大值 ,当 取 时, 分别为 。在大聚光角顺向聚焦复合抛物面聚光器的设计中,增大 可使 增大,从而增大聚光角。

3 仿真模拟

设计 ,传统的 顺向聚焦抛物面聚光器和增大聚光角的 顺向聚焦复合抛物面聚光器,并设计 的渐开线形二次聚光器与热声热机接收器尺寸相匹配,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,如图7所示。具体设计方程如下。

顺向聚焦复合抛物面聚光器:

渐开线二次聚光器:

顺向聚焦复合抛物面聚光器:

渐开线二次聚光器:

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,本文模拟太阳光以0°~10°入射角入射聚光器,入射光线为10000条,比较出光口AB(A’B’)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 的顺向聚焦复合抛物面聚光器出光口A’B’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( )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。可见,在5°范围内增大聚光角 的顺向聚焦复合抛物面聚光器出光口A’B’光线接收比均保持在97%以上,而传统的( )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 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( )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。

在增大聚光角 的顺向聚焦复合抛物面聚光器基础上,选用不同线形的二次聚光器为热声热机接收器聚光:平板型、45°板、齐肋片斜板、余弦线、抛物线和三次抛物线二次聚光器,各类二次聚光器曲线Y轴右侧方程如下:

平板:

45度板:

齐肋片斜板:

余弦线:

抛物线:

三次抛物线:

在 的范围内对比了多种二次聚光器对热声热机接收器的聚光效果,结果如图11所示。在 范围内渐开线形二次聚光器对热声热机接收器的光线接收比始终保持在91%以上,在4°范围内其接收比均在98%以上,远远超过了其它几种线形。

4 结论

本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。论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,降低了系统对追踪精度的要求,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,可达到在91%甚至98%以上的聚光效率。

参考文献

[1]Chen RL, Garrett SL. Solar/heat-driven thermoacoustic engine. J Acoust Soc Am, 1998, 103(5): 2841.

[2]Garrett SL, Backhaus S. The power of sound. American Scientist. 2000(88): 516-525

[3]Adeff JA, Hofler TJ. Design and Construction of a Solar Powered, Thermoacoustically Driven, Thermoacoustic Refrigerator. J. Acoust. Soc. Am., 2000, 107(6):L37-L42.

[4]满满,吴张华,罗二仓,等. kW级太阳能热发电用行波热声发动机的实验研究. 工程热物理学会,2010.

[5]满满.行波热声发电系统工作机理的研究[D].北京:中国科学院理化技术研究所,2011.

[6]何开岩,郑宏飞.光漏斗聚光定向传光中央接收太阳能集热系统[J].工程热物理学报,2010, 31(1):28-31.

[7]薛晓迪.复杂曲面聚光器及其系统的性能研究[D].北京:北京理工大学,2012.

[8]郑宏飞,陶涛.增加复合抛物面聚光器(CPC)最大聚光角的几种方法及结果比较[J].工程热物理学报,2008, 29(9):1467-1470.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51006009);北京市自然科学基金资助项目(3112021);国家教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20101101120009)。


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