聚光焦斑偏移對(duì)太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

翁奕濤 于洋 吳肖邦 梁振康 黎芷均 王海

（肇慶學(xué)院 廣東肇慶 526061）

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)致力于構(gòu)建新發(fā)展格局，促進(jìn)清潔能源利用，優(yōu)化能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排將是推進(jìn)我國(guó)能源低碳發(fā)展、實(shí)現(xiàn)2030 年前碳達(dá)峰目標(biāo)和2060 年前碳中和愿景的關(guān)鍵著力點(diǎn)［1］。太陽(yáng)能光熱發(fā)電輸出穩(wěn)定、可調(diào)、連續(xù)，是一種可再生清潔能源利用技術(shù)，對(duì)人類的生活、社會(huì)生產(chǎn)以及可持續(xù)發(fā)展具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，太陽(yáng)能熱發(fā)電形式主要有塔式、碟式、槽式、菲涅爾式四種。其中，槽式發(fā)電商業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目數(shù)量最多，碟式因其驚人的發(fā)展速度令世界矚目，具有廣闊的發(fā)展前景。但它們均存在成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)動(dòng)性差等缺點(diǎn)，因此主要作為光熱發(fā)電站示范，應(yīng)用于邊遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行獨(dú)立供電［2-3］。相比之下，菲涅爾透鏡厚度薄、質(zhì)量輕、體積小、焦距短，較小的面積可以獲得較高的溫度等，由其構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊、量化生產(chǎn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)［4］。

雖然光熱發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟，但面對(duì)太陽(yáng)能斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)中存在的不足和局限性，我國(guó)與歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距，該太陽(yáng)能開發(fā)利用的應(yīng)用創(chuàng)新仍需不斷探討［5］。本文闡述了菲涅爾透射式點(diǎn)聚焦實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)調(diào)焦機(jī)構(gòu)，并通過(guò)室外實(shí)驗(yàn)測(cè)試，開展了基于焦斑偏移對(duì)太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)分析。

1 測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)原理

1.1 測(cè)試平臺(tái)的組成

該平臺(tái)中被檢測(cè)部分主要由透射式菲涅爾太陽(yáng)能聚光器、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等部件構(gòu)成。檢測(cè)部分主要由溫度采集儀、非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)速儀、激光測(cè)距儀、功率計(jì)以及PC 數(shù)據(jù)終端等設(shè)備構(gòu)成。通過(guò)太陽(yáng)輻射聚光加熱，測(cè)試不同溫度下斯特林機(jī)的運(yùn)行工況；通過(guò)升降臺(tái)調(diào)節(jié)熱端距離菲涅爾透鏡的高度，改變聚光焦斑的大??；通過(guò)導(dǎo)軌微移臺(tái)調(diào)節(jié)焦斑落在熱端的位置，改變其偏移量；通過(guò)非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)速儀測(cè)定飛輪轉(zhuǎn)速；通過(guò)太陽(yáng)能輻射計(jì)測(cè)得太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；通過(guò)功率計(jì)測(cè)得發(fā)電機(jī)輸出功率。

1.2 測(cè)試平臺(tái)工作原理

聚光焦斑的大小、溫度是能流密度的直接體現(xiàn)，將平行太陽(yáng)光垂直透過(guò)菲涅爾透鏡折射匯集，所形成焦斑在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端上產(chǎn)生高溫，菲涅爾透鏡聚光原理如圖1 所示。通過(guò)氣缸內(nèi)工作介質(zhì)經(jīng)過(guò)冷卻、壓縮、吸熱、膨脹為一個(gè)周期的循環(huán)來(lái)輸出動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)斯特林機(jī)連桿使飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，飛輪與小型直流發(fā)電機(jī)之間采用皮帶傳動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能-熱能-機(jī)械能-電能的系列轉(zhuǎn)換。

圖1 菲涅爾透鏡聚光原理示意圖

1.3 焦斑移動(dòng)系統(tǒng)

通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)柄，轉(zhuǎn)動(dòng)柄與螺紋桿的螺紋配合下，螺紋桿左右移動(dòng)，剪叉桿的伸縮，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)柄控制升降臺(tái)升降的功能，操作十分簡(jiǎn)單方便，使得斯特林機(jī)在Z 軸方向?qū)崿F(xiàn)上下移動(dòng)。通過(guò)導(dǎo)軌微移臺(tái)調(diào)節(jié)使得斯特林機(jī)在X-Y 平面內(nèi)水平移動(dòng)，將經(jīng)菲涅爾透鏡匯聚后的焦斑完全照射在熱端上。兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可X-Y-Z 三維調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)焦斑在斯特機(jī)熱端不同位置進(jìn)行聚光發(fā)電性能測(cè)試，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖如圖2 示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

該平臺(tái)所采用的菲涅爾透鏡面積為0.1 mm2，其焦距為330 mm；熱端是石英玻璃腔，其直徑為16 mm，長(zhǎng)度18 mm。變量參數(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)升降臺(tái)，改變熱端到菲涅爾透鏡的位移量△h，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌微移臺(tái)改變焦斑到熱端中心的偏移量△x、△y，測(cè)量不同熱端溫度下系統(tǒng)發(fā)電性能，其中測(cè)試變量參數(shù)包含飛輪轉(zhuǎn)速、熱端焦斑溫度以及發(fā)電機(jī)輸出電流、電壓等參數(shù)變化等。

以2021 年5 月1 日中午實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在肇慶學(xué)院科技實(shí)訓(xùn)樓樓頂（東經(jīng)112°27′，北緯23°03′），天氣晴朗，風(fēng)速1 級(jí)。根據(jù)圖2 所示，X 軸表示東西方向，朝東為正，朝西為負(fù)；Y 軸表示南北方向，朝北為正，朝南為負(fù)；Z 軸表示高度方向，向上為正，向下為負(fù)。實(shí)驗(yàn)開始前，調(diào)整雙軸跟蹤云臺(tái)，使得跟蹤狀態(tài)達(dá)到最佳，減小焦斑偏移，保溫腔體放置于熱端，減小外界環(huán)境風(fēng)速對(duì)吸熱頭表面的熱損失。當(dāng)焦斑落在熱端上時(shí)，按實(shí)驗(yàn)要求調(diào)節(jié)好升降臺(tái)高度與偏移量，順時(shí)針撥動(dòng)飛輪引發(fā)斯特林機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。期間，同步記錄所測(cè)得斯特林機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速、焦斑溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度以及發(fā)電機(jī)輸出電流（I）、電壓（U）。此后重復(fù)上述步驟，直至完成實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中系統(tǒng)發(fā)電功率（P）由P=UI 進(jìn)行計(jì)算。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 焦斑偏移量測(cè)試分析

調(diào)節(jié)升降臺(tái)的高度，斯特林機(jī)熱端在菲涅爾透鏡的焦點(diǎn)處，距離菲涅爾透鏡的高度為330 mm。測(cè)得太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1 024 W/m2，測(cè)試時(shí)間段12∶30～13∶00。不同焦斑距離熱端中心偏移量△x 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，如表1 所示。

表1 焦斑中心在熱端中心的偏移量△x 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

調(diào)節(jié)升降臺(tái)高度，熱端在菲涅爾透鏡的焦點(diǎn)處，距離菲涅爾透鏡的高度為330 mm。測(cè)得太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為866 W/m2，測(cè)試時(shí)間段13∶00～13∶30。不同焦斑距離熱端中心偏移量△y 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，如表2 所示。

表2 焦斑中心在熱端中心的偏移量△y 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)焦斑在焦平面上，焦斑中心在熱端中心時(shí)，即△x=0 mm 和△y=0 mm，飛輪的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)的輸出功率最大；隨著△x、△y 各自偏移量的增加，飛輪的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)的輸出功率逐漸減少。表1、表2 中的數(shù)據(jù)顯示，焦斑在上文所述南北方向、東西方向偏移量相同時(shí)，飛輪的轉(zhuǎn)速以及功率等相差不大。經(jīng)分析，這是由實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境風(fēng)速所影響的。

3.2 焦斑大小測(cè)試分析

調(diào)節(jié)導(dǎo)軌微移臺(tái)使得焦斑落在斯特林機(jī)熱端中心處，調(diào)節(jié)升降臺(tái)，熱端在菲涅爾透鏡的焦點(diǎn)處，距離菲涅爾透鏡的高度為330 mm。測(cè)得太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1 034 W/m2，測(cè)試時(shí)間段13∶30～13∶50，改變位移量△h，不同焦斑大小的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，如表3 所示。

表3 焦斑中心在熱端中心的位移量△h 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在菲涅爾透鏡焦點(diǎn)的焦斑能量能流密度最高且較為集中，最大溫度可達(dá)到660 ℃。當(dāng)焦斑在菲涅爾透鏡的焦平面上方，隨著位移量△h 的增加，焦斑逐漸增大，這主要是由于焦斑平均能流密度、溫度逐漸降低，促使飛輪的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)的輸出功率逐漸減少；當(dāng)焦斑在菲涅爾透鏡的焦平面下方，隨著位移量△h 的增大，焦斑平均能流密度、溫度逐漸降低，飛輪的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)的輸出功率逐漸減少。

4 結(jié)論

本文以焦斑落在熱端的大小和焦斑中心距離熱端中心的偏移量作為實(shí)驗(yàn)變量，針對(duì)熱端焦斑對(duì)位問(wèn)題，借助升降臺(tái)和導(dǎo)軌微移臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱端的三維移動(dòng)，進(jìn)而有利于研究斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置所造成的誤差對(duì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率的影響。上述實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變聚光焦斑大小和位置，進(jìn)而改變太陽(yáng)能流密度，研究并客觀地描述焦斑位置偏移情況在對(duì)應(yīng)時(shí)刻的發(fā)電機(jī)在一定負(fù)載下的輸出功率變化。