[科普中国]-太阳能热声发电

简介

20世纪以来，随着化石能源的大规模应用，能源短缺以及环境污染带来的问题对人类经济社会发展的影响日趋明显。大力发展新型可再生清洁能源的利用技术是解决当前危机的一条有效途径。我国属于全球太阳能资源最丰富的地区之一，为太阳能的大规模利用提供了必要的,。充分合理地利用太阳能资源，对于减少并最终替代传统能源的使用具有重要意义。

电能是现代社会中应用最便捷，适用范围最广的一种能源形式，因此太阳能发电技术具有很大的应用价值。太阳能发电技术主要包括光伏发电与光热发电两大类。太阳能光伏发电以其结构简单、易于安装、功率灵活等优点，成为21世纪发展最快的能源技术之一。另一方面，光伏发电技术仍然存在一些尚未解决的问题，限制了光伏发电产业的进一步发展。

太阳能光热发电是另一种太阳能发电技术，主要是指聚焦型太阳能热发电，即利用聚焦手段收集太阳能热量，然后通过热电转换装置进行发电。与光伏发电系统相比，光热发电系统的一个显著特点是可以通过储热及补燃的方式[f}l解决太阳能不稳定、不持续的问题，实现不间断的电力输出，适合于大规模应用。太阳能聚集方式主要包括槽式、线性菲涅尔式、塔式及碟式4种，其中槽式集热系统技术相对成熟，可规模化生产。

影响太阳能热发电系统性能的核心因素是热电转换系统。当前的光热发电系统采用朗肯循环，所用的蒸汽轮机通常功率较大[fHl，因此只能通过大规模集热，将分散分布的太阳能汇聚起来加以集中利用。相对于上述大规模集热集中利用的情形，分布式集热分布式利用的技术路线更加符合太阳能分散分布、功率密度低的特点。针对中低温热源驱动的中小型发电系统，可以选择以低沸点有机物为工质的有机朗肯循环，但其效率还有待提高，同时大多数有机工质都具有不同程度的大气臭氧破坏能力和温室效应，不够环保。斯特林机具有效率高、工质环保等优点，功率从千瓦到几十千瓦级，适合用于分布式发电系统;但也同时存在造价高、维护成本高等缺点，限制了其大规模应用热声热机单机功率及效率与斯特林机相当，由于高温端消除了运动部件，同时发电机实现了无油润滑与无磨损运行，可靠性好、寿命长。近年来，热声热机已经成为世界上的研究热点之一2。

本文详细介绍了行波热声发动机与行波热声发电技术的发展历程，其中还展示了太阳能行波热声发电示范样机。结合当前研究进展，探讨未来更适合规模化应用的太阳能行波热声发电技术路线。行波热声发动机技术

热声发电系统作为一种新型热发电装置，包含热声发动机和直线电机，前者实现热能到声能(声波形式的机械能)的转换，后者实现声能到电能的转换。相对于热声发动机交变流动与传热的复杂性，直线往复电机技术已经较为成熟。因此，热声发电技术的发展很大程度上决定于热声发动机技术的发展。

热声发动机是利用热声效应将热能转化为声能的装置，按照回热器内声场特性的不同，可分为驻波热声发动机和行波热声发动机。驻波热声发动机基于有限换热的热力循环，具有本征不可逆性，潜在效率较低。而行波热声发动机追求回热器内的理想换热，理论上可以达到卡诺效率。因此，近年来热声发动机的研究多集中于行波热声发动机3。

行波热声发动机的概念最早由美国GeorgeMason大学的Ceperley提出。他指出行波热声发动机内气体的热力学循环过程与传统斯特林机类似，提出采用气体活塞代替传统斯特林机中的固体活塞，可消除系统中的机械运动部件，从而避免由此而带来的诸多问题。1998年，日本的Yazaki等通过实验验证了Ceperley的设想，装置如图1 yalo此后，行波热声发动机的研究开始兴起，经历了从传统型行波热声发动机到双作用型行波热声发动机的演变，其功率与功率密度不断提高，不断向实用化迈进。

传统型行波热声发动机1999年，B ackhaus等设计制作了第一台具有一定实用价值的行波热声发动，该发动机由一个环路与一根驻波谐振管组成，环路部分如图2所示，驻波谐振管长度约为3.74 m，主要部分内径为10.2 cm。环路位于驻波谐振管的速度节点附近，大幅提高了回热器的声阻抗，有效地降低了回热器的粘性损失。环路各部分尺寸的合理设计使得回热器处于行波声场，提高了热声转换效率。此外，该结构还抑制了Gedeon流‘)和Rayleigh流等对发动机效率有着重要影响的质量流效应。实验在热端温度为725℃的条件下，获得710W声功，热效率 30%，可与内燃机、斯特林机相当。之后，该结构成为典型的行波热声发动机结构而被广为研究。

在国内，中科院理化所、浙江大学等机构对传统型行波热声发动机也开展了研究，进一步验证了行波热声发动机相对于驻波热声发动机所具有的优势。2005年，中科院理化究所罗二仓等研制了一台聚能型行波热声发动机，采用一根锥形谐振管代替了原来的等径谐振管，抑制了谐振管内高阶谐波的产生，使能量有效地集中在基频模态上，从而大幅度提高了基频模态的压力幅值与压比。在热端温度为670 0C的条件下，发动机在实验中获得了1.3以上的压比。在输入功率为2960W时，可获得451 W的净输出声功。实验中还观测到了最低730C的起振温度，验证了热声发动机用于回收低品位能源的可行性。在随后的实验中，他们又相继获得了801 W 和1479W的净输出声功。

总体上看，传统型行波热声发动机作为最早的行波热声发动机具有很大的意义，它使得热声发动机的研究进入了一个全新的阶段。然而，由于谐振管及反馈管等较大尺寸管道的存在，传统型行波热声发动机存在功率密度低、声功损耗大、功率放大困难等问题，阻碍了其进一步实用化地发展。

双作用型行波热声发动机近年来，行波热声发动机迫切需要向大功率及大功率密度的方向发展，然而传统型热声发动机由于上述问题的存在无法达到要求。2011年，受多缸斯特林发动机[[30]的启发，中科院理化所罗二仓等提出双作用型行波热声发动机，将多个相同的发动机基本单元通过谐振机构首尾相连而成。双作用是指谐振机构既可以接收上一个单元的声功，也可以向下一个单元提供声功。与传统型行波热声发动机相比，双作用型行波热声发动机取消了庞大的驻波型谐振管与反馈管，体积大幅缩小。同时利用多发动机单元组成多级系统，输出功率可以大幅度提高。所用的谐振机构可以是液体振子、直线电机及行波型谐振管(内部主要为行波声场)等。

2012年，中科院理化所李东辉等建立了一台气液双作用型行波热声发动机，将3台发动机单元连成环路，中间采用U型谐振管连接(图3o谐振管内为液体，发动机内为气体，环路内部形成气液藕合振荡，可充分利用气体的可压缩性和液体的惯性，在提升压力振幅的同时有效降低谐振频率。气液之间采用橡胶薄膜隔离，防止液体溢到发动机内。以1.SMPa的氦气为工质、加热量为1200W的实验条件下，压比高达1.45。然而，由于液体振子的惯性较大，系统在大振幅时振动较大，并且橡胶薄膜易破损，可靠性不高。

早在2007年，中科院理化所罗二仓便提出了在行波回路中可以任意布置多个发动机单元的构想，同时指出可以通过增大回热器面积，降低回热器内气体的振荡速度，进而提高回热器声阻抗、降低载性损失。但由于当时条件所限并没有设计实验样机，该设想也仅停留在理论阶段。2010年，荷兰的 Kees de Block设计制作了一台四单元声学双作用型行波热声发动机，其设计思路与罗二仓提出的设想类似，整个环路由4台完全相同的发动机单元

通过行波型谐振管连接。在验证试验中，当回热器两端温差为132℃时，系统输出到负载的最大声功为18W，实际热效率仅为2.74%。该系统中未设置抑制质量流的装置，也没有添加热缓冲管，限制了其向大温差、大功率方向的发展。 2014年，在之前的研究基础上，罗二仓等提出并设计了声学双作用型行波热声发动机它包含3个或多个行波热声发动机单元，单元之间通过细长的行波谐振管相连4。系统内设置了热缓冲管、次水冷器、质量流抑制元件等，可以显著提高效率。该系统不仅具有传统型行波热声发动机容易起振的优点，还具有双作用型行波热声发动机功率密度大的特点。系统工作频率主要由谐振管长度及行波热声发动机单元决定。同时，细长的谐振管也利于系统结构布置，可以提高系统的紧凑性及实用性。计算表明，3-6个单元较为适合应用:更少的单元数量会导致谐振管长度较大，损失较大;更多的单元数量将使得回热器处驻波分量增大，不利于高效热声转换。实验在不同的充气压力下，各发动机核心单元均可在100 0C以下起振，频率约为63Hz，最高压比接近1.3。

声学双作用型行波热声发动机兼具了传统热声发动机无运动部件、使用寿命长和斯特林发动机结构紧凑、功率密度高等优点，可以说是热声发动机发展过程中一次重要的突破和创新，具有较高的研究价值和实用价值，为热声热机的实用化应用开辟了新途径。

热声发电技术热声技术在早期主要用于驱动行波热声制冷机及脉冲管制冷机，以实现完全无运动部件的制冷系统。热声发电技术的研究相对较晚。

2002年，在NASA的资助下，美国Los Alamos实验室的B ackhaus等人首先开展了热声发电的研究。如图6所示，整个发电系统通过一个行波回路热声发动机驱动2台直线电机构成。发电机除了用于将声功转变为电能，还起到了替代谐振管的作用，有助于减小系统的体积。实验在热端温度与环境温度分别为650摄氏度与30℃的条件下，以18%的最大热电效率获得39W的发电量，以15%的热电效率获得58W的最大发电量。随后，经过改进，该系统可以16.8%的热电效率输出70W声功0。然而，由于行波热声发动机环路出口驻波声场特性，直线发电机工作于驻波声场，必须通过大扫气量来实现声电转换，这对直线发电机工作是不利的5。

2007年，罗二仓等提出采用谐振管来改善直线发电机相位，研制了一台传统型行波热声发动机驱动直线发电机的百瓦级功率演示样机。该系统主要利用谐振管来满足发动机出口声场的要求，直线电机入口处的声场则可以通过直线电机自身结构参数调节，降低了两者的藕合要求。为揭示行波热声发动机与直线电机间的匹配规律、提高热声发电系统的输出功率及效率，他们在后续的研究中重点研究了行波热声发动机的声功输出与负载阻抗间的变化规律，并重新设计了一台行波热声发电系统。2011年，理化所吴张华等通过在氦气中添加4.5 %摩尔体积的氢气，降低了系统的工作频率以更好地实现发动机和发电机间的匹配。在热端温度650℃的条件下，系统的最大发电量与最大热电效率分别为1043 W和19.8%。在此基础上，还进行了太阳能驱动行波热声发电系统的研究。整个系统包括一台行波热声发电机，一架太阳能碟式集热器以及吸热器。

聚光比与设计值相差较大，吸热器的导热效果也不理想，系统获得最大发电量仅为200W。但是该系统验证了利用太阳能进行热声发电的可行性。浙江大学的孙大明等人也设计过一套类似的行波热声发电系统并进行了实验研究

2013年，在双作用型行波热声发动机基础上，吴张华等采用直线电机研制了世界上第一台双作用型行波热声发电系统。每个直线电机包含两个活塞，其中一个活塞作为膨胀活塞接收上一级发动机单元输出的声功，另一活塞作为压缩活塞向下一级发动机单元输入声功，两者的差值用于发电。在热端温度接近650 }C的实验条件下，系统以16.g%的热电效率获得了1.57kW的发电量。直线电机引起的机械阻尼以及各单元之间的不一致性成为制约系统性能的关键因素。在实验样机的基础上，理化所联合中科力函在云南楚雄搭建了一台太阳能双作用行波热声发电机，进一步推动了热声发电的实用化进程。

随着声学双作用行波热声发动机的提出及其具有的独特优势，2014年，吴张华等开始了声学双作用行波热声发电系统的研制。图11所示为声学双作用行波热声发电系统示意图及实验照片，它包含1台声学双作用行波热声发动机与多个直线发电机，直线发电机旁接于谐振管上。为减小振动，2台直线电机对置且动子相向运动。前期实验中，三单元系统获得了4.69kW的最高输出电功以及18.4%的最大热电效率，四单元系统获得了6kW的发电功功率及18%的热电效率，六单元系统获得了7.2kW的发电功率及15%的热电效率。这一工作突破了大功率热声发电技术，相应的研究仍然在进行中。同时，针对太阳能利用的工程样机也正在开发中。

系统装置碟式太阳能行波热声发电系统包括太阳能集热、热交换、热电转换三个子系统。太阳能集热子系统实时跟踪太阳并将太阳能辐射热量聚集到热交换子系统，热量通过热交换子系统进入热电转换子系统，最终完成太阳能到电能的转化。 太阳能集热子系统主要包括聚光器及太阳跟踪控制两个部分。聚光器将太阳光聚集于光斑处实现高温和大热流，通常光斑直径约为10 cm~20 cm。系统所用聚光器由144个聚光单元组成，每一个聚光单元为32 cm x 32 cm大小，由9片10cmx10cm的平面镜组成。先通过一次成型技术制作出托架，再将9片镜子分别粘贴于托架表面，使得9片镜子独立形成一个直径10 cm左右的光斑。再将144个聚光单元的光斑汇集于热交换子系统。集热器有效面积约13 m2，设计聚光比约700:1,预计集热能力9 kW左右5。

太阳跟踪控制采用双轴方式，利用一个电机按太阳方位角来控制集热器水平位置，再利用另一个电机按太阳高度角来控制集热器俯仰角。在跟踪算法上采用粗定位细调节的方法，即通过天体几何学大致确定出任意时刻集热器所在经纬度的太阳方位.

展望介绍了热声发电技术的发展，从基于传统型行波热声发动机的发电系统，到基于双作用型行波热声发动机的发电系统，单机的功率与功率密度不断提高，实用性也不断提升。行波热声发电系统做为一种新型的热发电装置，具有可靠性好、功率灵活、效率高等特点，适用于建立分布式发电系统，与太阳能分散分布、能量密度低的特点相符合。建立分布式太阳能热声发电系统，可以避免大规模集热产生的长距离、复杂的热流体管路，以及由此带来的系统复杂度高、维护成本高、初投资大等问题。由此可见，发展太阳能驱动的热声发电系统将具有很高的应用价值。

前期工作尝试了将行波热声发电系统与碟式太阳能集热器相结合组成太阳能发电示范样机，验证了这是符合太阳能分布式利用的一条新思路。除了碟式集热器，其他形式集热器也存在可能与行波热声发电系统相结合。目前槽式太阳能集热器市场成熟度较高，成本较低，若以行波热声发电系统为热电转换单元，可开发出一套可靠性好、效率高、成本低、功率灵活的太阳能热发电系统。当前的行波热声发电系统大多需要较高的热端温度，为了更好地与槽式集热器结合，需要发展适合于中低温区的行波热声发电系统。另一方面，为了便于实验，当前的行波热声发电系统多采用电加热方式。若要实现行波热声发电系统与太阳能集热器的高效结合，传热流体与发动机内部气体间的换热需要重点关注。