太陽能熱聲發電

熱聲發電技術是一種新型熱發電技術，具有可靠性好、效率高、環境友好等優點。同時，還具有功率靈活的特點，既可以單台小功率工作，又可以多台聯合實現大功率工作，非常適合太陽能利用。文中在回顧現有光熱發電技術的基礎上，介紹行波熱聲發動機與發電技術的發展歷程，同時也介紹了太陽能熱聲發電方面的套用探索，認為行波熱聲發電技術將會成為未來太陽能光熱發電的一項新技術。

基本介紹

• 中文名：太陽能熱聲發電
• 外文名：Solar-thermal  generates
• 類型：發電技術
• 優點：可靠性好、效率高、環境友好
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

20世紀以來，隨著化石能源的大規模套用，能源短缺以及環境污染帶來的問題對人類經濟社會發展的影響日趨明顯。大力發展新型可再生清潔能源的利用技術是解決當前危機的一條有效途徑。我國屬於全球太陽能資源最豐富的地區之一，為太陽能的大規模利用提供了必要的,。充分合理地利用太陽能資源，對於減少並最終替代傳統能源的使用具有重要意義。

電能是現代社會中套用最便捷，適用範圍最廣的一種能源形式，因此太陽能發電技術具有很大的套用價值。太陽能發電技術主要包括光伏發電與光熱發電兩大類。太陽能光伏發電以其結構簡單、易於安裝、功率靈活等優點，成為21世紀發展最快的能源技術之一。另一方面，光伏發電技術仍然存在一些尚未解決的問題，限制了光伏發電產業的進一步發展。

太陽能光熱發電是另一種太陽能發電技術，主要是指聚焦型太陽能熱發電，即利用聚焦手段收集太陽能熱量，然後通過熱電轉換裝置進行發電。與光伏發電系統相比，光熱發電系統的一個顯著特點是可以通過儲熱及補燃的方式[f}l解決太陽能不穩定、不持續的問題，實現不間斷的電力輸出，適合於大規模套用。太陽能聚集方式主要包括槽式、線性菲涅爾式、塔式及碟式4種，其中槽式集熱系統技術相對成熟，可規模化生產。

影響太陽能熱發電系統性能的核心因素是熱電轉換系統。當前的光熱發電系統採用朗肯循環，所用的蒸汽輪機通常功率較大[fHl，因此只能通過大規模集熱，將分散分布的太陽能匯聚起來加以集中利用。相對於上述大規模集熱集中利用的情形，分散式集熱分散式利用的技術路線更加符合太陽能分散分布、功率密度低的特點。針對中低溫熱源驅動的中小型發電系統，可以選擇以低沸點有機物為工質的有機朗肯循環，但其效率還有待提高，同時大多數有機工質都具有不同程度的大氣臭氧破壞能力和溫室效應，不夠環保。斯特林機具有效率高、工質環保等優點，功率從千瓦到幾十千瓦級，適合用於分散式發電系統;但也同時存在造價高、維護成本高等缺點，限制了其大規模套用熱聲熱機單機功率及效率與斯特林機相當，由於高溫端消除了運動部件，同時發電機實現了無油潤滑與無磨損運行，可靠性好、壽命長。近年來，熱聲熱機已經成為世界上的研究熱點之一。

本文詳細介紹了行波熱聲發動機與行波熱聲發電技術的發展歷程，其中還展示了太陽能行波熱聲發電示範樣機。結合當前研究進展，探討未來更適合規模化套用的太陽能行波熱聲發電技術路線。行波熱聲發動機技術

熱聲發電系統作為一種新型熱發電裝置，包含熱聲發動機和直線電機，前者實現熱能到聲能(聲波形式的機械能)的轉換，後者實現聲能到電能的轉換。相對於熱聲發動機交變流動與傳熱的複雜性，直線往復電機技術已經較為成熟。因此，熱聲發電技術的發展很大程度上決定於熱聲發動機技術的發展。

熱聲發動機是利用熱聲效應將熱能轉化為聲能的裝置，按照回熱器內聲場特性的不同，可分為駐波熱聲發動機和行波熱聲發動機。駐波熱聲發動機基於有限換熱的熱力循環，具有本徵不可逆性，潛在效率較低。而行波熱聲發動機追求回熱器內的理想換熱，理論上可以達到卡諾效率。因此，近年來熱聲發動機的研究多集中於行波熱聲發動機。

行波熱聲發動機的概念最早由美國GeorgeMason大學的Ceperley提出。他指出行波熱聲發動機內氣體的熱力學循環過程與傳統斯特林機類似，提出採用氣體活塞代替傳統斯特林機中的固體活塞，可消除系統中的機械運動部件，從而避免由此而帶來的諸多問題。1998年，日本的Yazaki等通過實驗驗證了Ceperley的構想，裝置如圖1 yalo此後，行波熱聲發動機的研究開始興起，經歷了從傳統型行波熱聲發動機到雙作用型行波熱聲發動機的演變，其功率與功率密度不斷提高，不斷向實用化邁進。

傳統型行波熱聲發動機

1999年，B ackhaus等設計製作了第一台具有一定實用價值的行波熱聲發動，該發動機由一個環路與一根駐波諧振管組成，環路部分如圖2所示，駐波諧振管長度約為3.74 m，主要部分內徑為10.2 cm。環路位於駐波諧振管的速度節點附近，大幅提高了回熱器的聲阻抗，有效地降低了回熱器的粘性損失。環路各部分尺寸的合理設計使得回熱器處於行波聲場，提高了熱聲轉換效率。此外，該結構還抑制了Gedeon流‘)和Rayleigh流等對發動機效率有著重要影響的質量流效應。實驗在熱端溫度為725℃的條件下，獲得710W聲功，熱效率 30%，可與內燃機、斯特林機相當。之後，該結構成為典型的行波熱聲發動機結構而被廣為研究。

在國內，中科院理化所、浙江大學等機構對傳統型行波熱聲發動機也開展了研究，進一步驗證了行波熱聲發動機相對於駐波熱聲發動機所具有的優勢。2005年，中科院理化究所羅二倉等研製了一台聚能型行波熱聲發動機，採用一根錐形諧振管代替了原來的等徑諧振管，抑制了諧振管內高階諧波的產生，使能量有效地集中在基頻模態上，從而大幅度提高了基頻模態的壓力幅值與壓比。在熱端溫度為670 0C的條件下，發動機在實驗中獲得了1.3以上的壓比。在輸入功率為2960W時，可獲得451 W的淨輸出聲功。實驗中還觀測到了最低730C的起振溫度，驗證了熱聲發動機用於回收低品位能源的可行性。在隨後的實驗中，他們又相繼獲得了801 W 和1479W的淨輸出聲功。

總體上看，傳統型行波熱聲發動機作為最早的行波熱聲發動機具有很大的意義，它使得熱聲發動機的研究進入了一個全新的階段。然而，由於諧振管及反饋管等較大尺寸管道的存在，傳統型行波熱聲發動機存在功率密度低、聲功損耗大、功率放大困難等問題，阻礙了其進一步實用化地發展。

雙作用型行波熱聲發動機

近年來，行波熱聲發動機迫切需要向大功率及大功率密度的方向發展，然而傳統型熱聲發動機由於上述問題的存在無法達到要求。2011年，受多缸斯特林發動機[[30]的啟發，中科院理化所羅二倉等提出雙作用型行波熱聲發動機，將多個相同的發動機基本單元通過諧振機構首尾相連而成。雙作用是指諧振機構既可以接收上一個單元的聲功，也可以向下一個單元提供聲功。與傳統型行波熱聲發動機相比，雙作用型行波熱聲發動機取消了龐大的駐波型諧振管與反饋管，體積大幅縮小。同時利用多發動機單元組成多級系統，輸出功率可以大幅度提高。所用的諧振機構可以是液體振子、直線電機及行波型諧振管(內部主要為行波聲場)等。

2012年，中科院理化所李東輝等建立了一台氣液雙作用型行波熱聲發動機，將3台發動機單元連成環路，中間採用U型諧振管連線(圖3o諧振管內為液體，發動機內為氣體，環路內部形成氣液藕合振盪，可充分利用氣體的可壓縮性和液體的慣性，在提升壓力振幅的同時有效降低諧振頻率。氣液之間採用橡膠薄膜隔離，防止液體溢到發動機內。以1.SMPa的氦氣為工質、加熱量為1200W的實驗條件下，壓比高達1.45。然而，由於液體振子的慣性較大，系統在大振幅時振動較大，並且橡膠薄膜易破損，可靠性不高。

早在2007年，中科院理化所羅二倉便提出了在行波迴路中可以任意布置多個發動機單元的構想，同時指出可以通過增大回熱器面積，降低回熱器內氣體的振盪速度，進而提高回熱器聲阻抗、降低載性損失。但由於當時條件所限並沒有設計實驗樣機，該構想也僅停留在理論階段。2010年，荷蘭的 Kees de Block設計製作了一台四單元聲學雙作用型行波熱聲發動機，其設計思路與羅二倉提出的構想類似，整個環路由4台完全相同的發動機單元

通過行波型諧振管連線。在驗證試驗中，當回熱器兩端溫差為132℃時，系統輸出到負載的最大聲功為18W，實際熱效率僅為2.74%。該系統中未設定抑制質量流的裝置，也沒有添加熱緩衝管，限制了其向大溫差、大功率方向的發展。 2014年，在之前的研究基礎上，羅二倉等提出並設計了聲學雙作用型行波熱聲發動機它包含3個或多個行波熱聲發動機單元，單元之間通過細長的行波諧振管相連。系統內設定了熱緩衝管、次水冷器、質量流抑制元件等，可以顯著提高效率。該系統不僅具有傳統型行波熱聲發動機容易起振的優點，還具有雙作用型行波熱聲發動機功率密度大的特點。系統工作頻率主要由諧振管長度及行波熱聲發動機單元決定。同時，細長的諧振管也利於系統結構布置，可以提高系統的緊湊性及實用性。計算表明，3-6個單元較為適合套用:更少的單元數量會導致諧振管長度較大，損失較大;更多的單元數量將使得回熱器處駐波分量增大，不利於高效熱聲轉換。實驗在不同的充氣壓力下，各發動機核心單元均可在100 0C以下起振，頻率約為63Hz，最高壓比接近1.3。

聲學雙作用型行波熱聲發動機兼具了傳統熱聲發動機無運動部件、使用壽命長和斯特林發動機結構緊湊、功率密度高等優點，可以說是熱聲發動機發展過程中一次重要的突破和創新，具有較高的研究價值和實用價值，為熱聲熱機的實用化套用開闢了新途徑。

熱聲發電技術

熱聲技術在早期主要用於驅動行波熱聲制冷機及脈衝管制冷機，以實現完全無運動部件的製冷系統。熱聲發電技術的研究相對較晚。

2002年，在NASA的資助下，美國Los Alamos實驗室的B ackhaus等人首先開展了熱聲發電的研究。如圖6所示，整個發電系統通過一個行波迴路熱聲發動機驅動2台直線電機構成。發電機除了用於將聲功轉變為電能，還起到了替代諧振管的作用，有助於減小系統的體積。實驗在熱端溫度與環境溫度分別為650攝氏度與30℃的條件下，以18%的最大熱電效率獲得39W的發電量，以15%的熱電效率獲得58W的最大發電量。隨後，經過改進，該系統可以16.8%的熱電效率輸出70W聲功0。然而，由於行波熱聲發動機環路出口駐波聲場特性，直線發電機工作於駐波聲場，必須通過大掃氣量來實現聲電轉換，這對直線發電機工作是不利的。

2007年，羅二倉等提出採用諧振管來改善直線發電機相位，研製了一台傳統型行波熱聲發動機驅動直線發電機的百瓦級功率演示樣機。該系統主要利用諧振管來滿足發動機出口聲場的要求，直線電機入口處的聲場則可以通過直線電機自身結構參數調節，降低了兩者的藕合要求。為揭示行波熱聲發動機與直線電機間的匹配規律、提高熱聲發電系統的輸出功率及效率，他們在後續的研究中重點研究了行波熱聲發動機的聲功輸出與負載阻抗間的變化規律，並重新設計了一台行波熱聲發電系統。2011年，理化所吳張華等通過在氦氣中添加4.5 %摩爾體積的氫氣，降低了系統的工作頻率以更好地實現發動機和發電機間的匹配。在熱端溫度650℃的條件下，系統的最大發電量與最大熱電效率分別為1043 W和19.8%。在此基礎上，還進行了太陽能驅動行波熱聲發電系統的研究。整個系統包括一台行波熱聲發電機，一架太陽能碟式集熱器以及吸熱器。

聚光比與設計值相差較大，吸熱器的導熱效果也不理想，系統獲得最大發電量僅為200W。但是該系統驗證了利用太陽能進行熱聲發電的可行性。浙江大學的孫大明等人也設計過一套類似的行波熱聲發電系統並進行了實驗研究

2013年，在雙作用型行波熱聲發動機基礎上，吳張華等採用直線電機研製了世界上第一台雙作用型行波熱聲發電系統。每個直線電機包含兩個活塞，其中一個活塞作為膨脹活塞接收上一級發動機單元輸出的聲功，另一活塞作為壓縮活塞向下一級發動機單元輸入聲功，兩者的差值用於發電。在熱端溫度接近650 }C的實驗條件下，系統以16.g%的熱電效率獲得了1.57kW的發電量。直線電機引起的機械阻尼以及各單元之間的不一致性成為制約系統性能的關鍵因素。在實驗樣機的基礎上，理化所聯合中科力函在雲南楚雄搭建了一台太陽能雙作用行波熱聲發電機，進一步推動了熱聲發電的實用化進程。

隨著聲學雙作用行波熱聲發動機的提出及其具有的獨特優勢，2014年，吳張華等開始了聲學雙作用行波熱聲發電系統的研製。圖11所示為聲學雙作用行波熱聲發電系統示意圖及實驗照片，它包含1台聲學雙作用行波熱聲發動機與多個直線發電機，直線發電機旁接於諧振管上。為減小振動，2台直線電機對置且動子相向運動。前期實驗中，三單元系統獲得了4.69kW的最高輸出電功以及18.4%的最大熱電效率，四單元系統獲得了6kW的發電功功率及18%的熱電效率，六單元系統獲得了7.2kW的發電功率及15%的熱電效率。這一工作突破了大功率熱聲發電技術，相應的研究仍然在進行中。同時，針對太陽能利用的工程樣機也正在開發中。

系統裝置

碟式太陽能行波熱聲發電系統包括太陽能集熱、熱交換、熱電轉換三個子系統。太陽能集熱子系統實時跟蹤太陽並將太陽能輻射熱量聚集到熱交換子系統，熱量通過熱交換子系統進入熱電轉換子系統，最終完成太陽能到電能的轉化。 太陽能集熱子系統主要包括聚光器及太陽跟蹤控制兩個部分。聚光器將太陽光聚集於光斑處實現高溫和大熱流，通常光斑直徑約為10 cm~20 cm。系統所用聚光器由144個聚光單元組成，每一個聚光單元為32 cm x 32 cm大小，由9片10cmx10cm的平面鏡組成。先通過一次成型技術製作出托架，再將9片鏡子分別貼上於托架表面，使得9片鏡子獨立形成一個直徑10 cm左右的光斑。再將144個聚光單元的光斑匯集於熱交換子系統。集熱器有效面積約13 m2，設計聚光比約700:1,預計集熱能力9 kW左右。

太陽跟蹤控制採用雙軸方式，利用一個電機按太陽方位角來控制集熱器水平位置，再利用另一個電機按太陽高度角來控制集熱器俯仰角。在跟蹤算法上採用粗定位細調節的方法，即通過天體幾何學大致確定出任意時刻集熱器所在經緯度的太陽方位.

展望

介紹了熱聲發電技術的發展，從基於傳統型行波熱聲發動機的發電系統，到基於雙作用型行波熱聲發動機的發電系統，單機的功率與功率密度不斷提高，實用性也不斷提升。行波熱聲發電系統做為一種新型的熱發電裝置，具有可靠性好、功率靈活、效率高等特點，適用於建立分散式發電系統，與太陽能分散分布、能量密度低的特點相符合。建立分散式太陽能熱聲發電系統，可以避免大規模集熱產生的長距離、複雜的熱流體管路，以及由此帶來的系統複雜度高、維護成本高、初投資大等問題。由此可見，發展太陽能驅動的熱聲發電系統將具有很高的套用價值。

前期工作嘗試了將行波熱聲發電系統與碟式太陽能集熱器相結合組成太陽能發電示範樣機，驗證了這是符合太陽能分散式利用的一條新思路。除了碟式集熱器，其他形式集熱器也存在可能與行波熱聲發電系統相結合。目前槽式太陽能集熱器市場成熟度較高，成本較低，若以行波熱聲發電系統為熱電轉換單元，可開發出一套可靠性好、效率高、成本低、功率靈活的太陽能熱發電系統。當前的行波熱聲發電系統大多需要較高的熱端溫度，為了更好地與槽式集熱器結合，需要發展適合於中低溫區的行波熱聲發電系統。另一方面，為了便於實驗，當前的行波熱聲發電系統多採用電加熱方式。若要實現行波熱聲發電系統與太陽能集熱器的高效結合，傳熱流體與發動機內部氣體間的換熱需要重點關注。