董世充，沈国清，张 衡，安连锁

太阳能热声发电系统热电转换性能仿真研究

董世充，沈国清，张 衡，安连锁

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206）

太阳能驱动的热声发电系统是一种具有广泛应用价值的新型发电系统。本文提出的太阳能热声发电系统以高倍环形菲涅尔聚光器对太阳能进行集热，然后采用行波热声发电系统进一步将太阳能热量转换为电能。该系统采用光学软件Lighttools对新型太阳能驱动的环形菲涅尔聚光器进行光学仿真，计算出聚光器的集热功率，并将集热功率的计算结果与热声模拟软件DeltaEC相结合，对太阳能热声发电系统热电转换性能进行了仿真研究。研究结果证明，所提出的太阳能热声发电系统可行，并为后续的实验研究提供了理论依据。

太阳能；热声发电系统；环形菲涅尔聚光器；Lighttools软件；行波软件；集热功率；热电转换性能

热声发动机是一种可将热能转换成高强度声能的新型发动机[1-2]。这种新型发动机结构简单，整个系统没有机械运动部件，具有可靠性高的优势[3]。而且与具有高温运动部件的斯特林发动机不同，为了提供大幅度的压力波动，热声发动机内通常充入高压气体如氦气、氮气和氩气作为工质，具有环保的优势[4]。另外，利用热声发动机驱动发电机组成的热声发电系统，有望在低品位能源回收与利用领域应用，而在众多低品位能源中，太阳能被认为是最佳选择。在能源与环境问题日益严重的今天，太阳能驱动的热声发电技术具有重要的科研价值。

1998年美国Pennsylvania大学的Chen和Garrett最先开始了太阳能驱动热声发动机的研究[5]。为了提供足够的太阳能热量，他们采用1个35英寸直径、30英寸焦距的菲涅尔透镜作为太阳能集热器，用以驱动1台小型驻波型热声发动机，最终可获得300 W的热量和7.0 kPa的压力振幅。从2009年开始何雅玲课题组开展了太阳能热声发动机的研究工作，首先从理论分析和初步的实验验证了太阳能驱动热声发动机的可行性[6]，并最终研制出了1台以菲涅尔透镜作为集热器和小型驻波热声发动机组成的太阳能热声系统[7]，然后在此基础上研究了不同工质配比以及发动机几何参数的变化对起消振荡温度和压力振幅的影响[8]。2012年吴张华等[9]将行波热声发电系统与太阳能碟形集热器相结合后，进行了太阳能热发电的实验，最大可获得200 W的电功率。为了解决热声发动机位于聚光器上方而导致在聚光面上产生的阴影最终影响聚光器的集热效率问题，康慧芳等[10]提出了采用组合抛物面聚光器的顺向聚焦集热技术，设计出了一种太阳能驱动的驻波型热声发动机系统，并在实际天气下，以空气为工质，当高温端温度在643 K时，可获得0.115 MPa的压力振幅。

目前，在太阳能热声技术的研究中，多采用驻波型热声发动机，而行波型的热声发动机具有更高的热效率。其次，这些研究中所选取的太阳能聚光器存在向热声系统提供的能量不足或者热声系统在聚光器上方而影响集热效率等问题。本文提出一种以高倍环形菲涅尔聚光器和行波热声发电机所组成的太阳能热声发电系统，采用光学软件Lighttools计算出聚光器的集热功率，并以此为根据采用DeltaEC软件计算出热声发电系统的性能参数，且对所提出的新型太阳能热声发电系统进行了仿真研究，可为后续实验工作提供理论依据。

1 高倍环形菲涅尔聚光器

高倍环形菲涅尔太阳能聚光器结构如图1所示。反射镜场由一系列环形镜组成，每面镜子的倾斜角度都进行了调整，以避免遮挡。环形镜的形状是由围绕中心轴的固定长度线旋转形成的。从每个环面中心线反射的光线集中在同一点，因此，平行入射光线在一次反射后集中在焦点周围的一个小区域内。高倍环形菲涅尔太阳能聚光器共包含 20面环形镜，其最大圈直径为1.73 m。

图1 环形菲涅尔聚光器结构示意

Fig.1 Schematic diagram of the annular Fresnel reflector

为了提高集热器单位面积的光强，在环形聚光器中间增加了1个菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的焦距和环形镜面场设置在同一位置。为了避免阴影和遮挡，菲涅尔透镜的直径和焦距分别设置为550 mm和780 mm。

Lighttools是光学和照明系统设计、分析和优化的专业光学机械软件，用于模拟光线。在Lighttools软件中，设定环形镜面为理想的反射镜，并且太阳光波长和直接辐射分别设置为550 nm和800 W/m2。直径为100 mm的圆形接收器设置在原点（理论焦点），1×106光线假设为太阳光线。环形菲涅尔聚光器Lighttools软件光学仿真示意如图2所示。

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

2 行波热声发电系统

图3为行波热声发电系统的结构示意。热声发电系统由热声发动机和直线发电机两部分组成，当外部热量进入热声发动机内，发动机内会产生高强度热声震荡，并推动直线发电机活塞及其相连的动子做线性往复运动，带动直线发电机次级运动，产生感应电动势，在外电路中接入负载电阻将电功引出，最终实现热-声-电的能量转换。

图3 热声发电系统结构示意

热声发动机中各部件具体的结构参数见表1。

表1 热声发动机各部件结构参数

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

本文以RIX Industies公司的1台直线发电机作为研究对象，将其直线发电机连接在热声发动机的谐振管入口处。表2列出了该直线发电机的具体机电参数。

表2 直线发电机参数

Tab.2 Parameters of the linear alternator

3 热声发电系统热电转换性能计算

3.1 热电转换效率计算

热声发电系统的电路阻抗虚部定义为

式中：为系统中气体工质震荡的角频率，e为直线发电机线圈电感，e为外电路中串联电容器的电容值。

计算可得，系统处于机械谐振状态时，需要串联1个约500mF的电容器，即可使电路阻抗接近于0，使热声发电系统达到电路谐振状态。

在热声计算软件DeltaEC的计算设置中，假设加热功率为1 000 W，外电路中的负载电阻为100 Ω，串联电容为500mF，系统的平均充气压力为1.5 MPa。图4为热声发电系统电能输出与工作频率的计算结果。由图4可见，随着系统工作频率的增大，电能输出功率呈现先增大后减小的趋势，在35 Hz附近，输出功率达到了极大值，这与上述的发电机谐振频率计算结果接近。由此可见：工作频率对热声发电系统的电能输出特性具有极其重要的影响；为了使热声发电系统获得最大的电能输出，系统工作频率应维持在接近直线发电机的谐振频率。

图4 工作频率对电能输出的影响

在热声发动机的研究中，通常采用高纯氦气作为研究对象，这是由于：一方面氦气具有较高的声速，可产生较大密度的声功率，在300 K、1 MPa条件下，氦气的传播声速为1 023.85 m/s；另一方面，氦气的数较低，具有较大的热渗透深度，可使热声系统具有较高的热声转换效率。Zhou等人[13]曾提出了有关热声发动机频率的推测公式：

式中，为气体工质的声速，为热声发动机谐振管长度。

从式(2)可求得系统采用高纯氦气为工质时，工作频率约为66 Hz。

在不改变热声发电系统结构参数的前提下，为降低其工作频率以接近直线发电机的谐振频率，可以在氦气中加入一些分子量相对较大的气体（例如氮气、氩气等）。图5为热声发电系统以氦气-氮气混合气体为工质时，氦气摩尔比对系统工作频率的影响。由图5可见：随着氦气摩尔比的减小，声速逐渐降低，热声发电系统的频率也随之降低；当氦气摩尔比约0.67时，系统的工作频率达到了直线发电机的谐振频率35 Hz。

图5 工质配比对热声发电系统工作频率的影响

图6为热声发电系统内的压力振幅随工作频率的变化。由图6可看出，随着工作频率的升高，压力振幅却随之降低。即使在直线发电机谐振频率为35 Hz处，压力振幅也并不是最大，但此处发电机电能输出却达到了最大（图4），可见热声发电系统的工作频率是影响其热电转换能力的首要因素。

3.2 太阳能驱动的热声发电系统电能输出计算

在3.1中所计算出在热声发电系统最大热电转换性能的操作参数下，当热声发电系统的驱动热源为太阳能热时，需采用Lighttools软件对环形菲涅尔太阳能聚光器进行仿真研究，以得出该聚光器可为热声发电系统提供的加热功率，最后再利用热声计算软件DeltaEC对整个太阳能热声发电系统的电能输出特性进行计算。

图6 热声发电系统工作频率对压力振幅的影响

图7为接收面半径对聚光器集热功率的影响。由图7可见，随着接收面半径的增大，聚光器的集热功率先急剧增加，当接收面半径超过50 mm时，集热功率增长趋势放缓。因此，为了提高热声发电系统的输入热量，应使接收面大于50 mm，本文将接收面半径设为50 mm。

图7 接收面半径对集热功率的影响

图8为太阳光线入射角偏差对聚光器集热功率和热声发电系统电功输出特性的影响。由图8可见：当入射角偏差小于0.4°时，聚光器可收集最大1 512 W的热量，而热声发电装置可最大输出126 W的电功率；而当入射角偏差大于0.4°时，入射偏差的进一步增大，太阳光线也会进一步分散，导致集热器热功率急剧减小，最终使得热声发电系统输出的电功率随之减小。

图8 入射角偏差对集热功率和输出电功率的影响

图9为入射角偏差对热声发电系统内的压力振幅的影响。由图9可见，增大入射角偏差同样会使压力振幅大幅减小，同时直线发电机的驱动力也会减小，从而直接导致热声发电系统电能输出能力减小。因此，太阳光跟踪精度对整个太阳能热声发电系统的性能有着至关重要的影响，追踪精度越高，聚光器的集热功率越高，系统的电能输出特性就越好。

图9 入射角偏差对压力振幅的影响

4 结 论

1）本文设计了一种以高倍环形菲涅尔聚光器对太阳能进行集热，然后采用行波热声发电系统将太阳能热量进一步转换为电能的新型太阳能热声发电系统。以氦气-氮气混合气体作为热声发电系统的工质，可调节系统工作频率接近直线发电机的谐振频率，从而使直线发电机达到机械谐振状态，以此提高系统热电转换能力。

2）仿真研究表明，当太阳能热量作为驱动源时，太阳光接收面半径大于50 mm，且入射角偏差小于0.4°时，整个太阳能热声发电系统最大可收集1 512 W的热量，输出126 W的电功率。这从理论角度验证了新型太阳能热声发电系统的可行性，为后续的实验研究提供了依据。

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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, 沈国清, 张衡, 等. 太阳能热声发电系统热电转换性能仿真研究[J]. 热力发电, 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

中央高校基本科研业务费专项资金资助(2017ZZD001)

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

董世充(1988—)，男，博士研究生，主要研究方向为热声发电技术，dongsc@ncepu.edu.cn。

沈国清(1980—)，男，副教授，硕士生导师，shenguoqing@ncepu.edu.cn。

（责任编辑 杨嘉蕾）