聚光焦斑偏移對太陽能斯特林發動機性能的影響

翁奕濤 于洋 吳肖邦 梁振康 黎芷均 王海

（肇慶學院 廣東肇慶 526061）

0 引言

當前，我國致力于構建新發展格局，促進清潔能源利用，優化能源系統結構、節能減排將是推進我國能源低碳發展、實現2030 年前碳達峰目標和2060 年前碳中和愿景的關鍵著力點［1］。太陽能光熱發電輸出穩定、可調、連續，是一種可再生清潔能源利用技術，對人類的生活、社會生產以及可持續發展具有極為重要的現實意義。

目前，太陽能熱發電形式主要有塔式、碟式、槽式、菲涅爾式四種。其中，槽式發電商業應用項目數量最多，碟式因其驚人的發展速度令世界矚目，具有廣闊的發展前景。但它們均存在成本高、結構復雜、機動性差等缺點，因此主要作為光熱發電站示范，應用于邊遠地區進行獨立供電［2-3］。相比之下，菲涅爾透鏡厚度薄、質量輕、體積小、焦距短，較小的面積可以獲得較高的溫度等，由其構成的實驗平臺具有結構緊湊、量化生產成本低廉等優點［4］。

雖然光熱發電技術相對成熟，但面對太陽能斯特林熱發電系統技術中存在的不足和局限性，我國與歐洲一些發達國家相比還有一定的差距，該太陽能開發利用的應用創新仍需不斷探討［5］。本文闡述了菲涅爾透射式點聚焦實驗測試平臺調焦機構，并通過室外實驗測試，開展了基于焦斑偏移對太陽能斯特林發動機性能影響的實驗分析。

1 測試平臺的設計原理

1.1 測試平臺的組成

該平臺中被檢測部分主要由透射式菲涅爾太陽能聚光器、斯特林發動機、發電機等部件構成。檢測部分主要由溫度采集儀、非接觸式轉速測速儀、激光測距儀、功率計以及PC 數據終端等設備構成。通過太陽輻射聚光加熱，測試不同溫度下斯特林機的運行工況；通過升降臺調節熱端距離菲涅爾透鏡的高度，改變聚光焦斑的大小；通過導軌微移臺調節焦斑落在熱端的位置，改變其偏移量；通過非接觸式轉速測速儀測定飛輪轉速；通過太陽能輻射計測得太陽輻射強度；通過功率計測得發電機輸出功率。

1.2 測試平臺工作原理

聚光焦斑的大小、溫度是能流密度的直接體現，將平行太陽光垂直透過菲涅爾透鏡折射匯集，所形成焦斑在斯特林發動機的熱端上產生高溫，菲涅爾透鏡聚光原理如圖1 所示。通過氣缸內工作介質經過冷卻、壓縮、吸熱、膨脹為一個周期的循環來輸出動力，驅動斯特林機連桿使飛輪轉動，飛輪與小型直流發電機之間采用皮帶傳動，最終實現太陽能-熱能-機械能-電能的系列轉換。

圖1 菲涅爾透鏡聚光原理示意圖

1.3 焦斑移動系統

通過手動調節轉動柄，轉動柄與螺紋桿的螺紋配合下，螺紋桿左右移動，剪叉桿的伸縮，實現了通過轉動柄控制升降臺升降的功能，操作十分簡單方便，使得斯特林機在Z 軸方向實現上下移動。通過導軌微移臺調節使得斯特林機在X-Y 平面內水平移動，將經菲涅爾透鏡匯聚后的焦斑完全照射在熱端上。兩者優勢互補，可X-Y-Z 三維調節裝置，實現焦斑在斯特機熱端不同位置進行聚光發電性能測試，搭建實驗平臺實物圖如圖2 示。

圖2 實驗平臺實物圖

2 實驗測試內容

該平臺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，長度18 mm。變量參數通過調節升降臺，改變熱端到菲涅爾透鏡的位移量△h，調節導軌微移臺改變焦斑到熱端中心的偏移量△x、△y，測量不同熱端溫度下系統發電性能，其中測試變量參數包含飛輪轉速、熱端焦斑溫度以及發電機輸出電流、電壓等參數變化等。

以2021 年5 月1 日中午實驗數據為例，實驗地點在肇慶學院科技實訓樓樓頂（東經112°27′，北緯23°03′），天氣晴朗，風速1 級。根據圖2 所示，X 軸表示東西方向，朝東為正，朝西為負；Y 軸表示南北方向，朝北為正，朝南為負；Z 軸表示高度方向，向上為正，向下為負。實驗開始前，調整雙軸跟蹤云臺，使得跟蹤狀態達到最佳，減小焦斑偏移，保溫腔體放置于熱端，減小外界環境風速對吸熱頭表面的熱損失。當焦斑落在熱端上時，按實驗要求調節好升降臺高度與偏移量，順時針撥動飛輪引發斯特林機運轉。期間，同步記錄所測得斯特林機飛輪轉速、焦斑溫度、太陽輻射強度以及發電機輸出電流（I）、電壓（U）。此后重復上述步驟，直至完成實驗要求。實驗結束后，對實驗數據進行處理，其中系統發電功率（P）由P=UI 進行計算。

3 實驗數據分析

3.1 焦斑偏移量測試分析

調節升降臺的高度，斯特林機熱端在菲涅爾透鏡的焦點處，距離菲涅爾透鏡的高度為330 mm。測得太陽輻射強度為1 024 W/m2，測試時間段12∶30～13∶00。不同焦斑距離熱端中心偏移量△x 的實驗數據樣本，如表1 所示。

表1 焦斑中心在熱端中心的偏移量△x 實驗數據

調節升降臺高度，熱端在菲涅爾透鏡的焦點處，距離菲涅爾透鏡的高度為330 mm。測得太陽輻射強度為866 W/m2，測試時間段13∶00～13∶30。不同焦斑距離熱端中心偏移量△y 的實驗數據樣本，如表2 所示。

表2 焦斑中心在熱端中心的偏移量△y 實驗數據

由上述實驗結果可知，當焦斑在焦平面上，焦斑中心在熱端中心時，即△x=0 mm 和△y=0 mm，飛輪的轉速、發電機的輸出功率最大；隨著△x、△y 各自偏移量的增加，飛輪的轉速、發電機的輸出功率逐漸減少。表1、表2 中的數據顯示，焦斑在上文所述南北方向、東西方向偏移量相同時，飛輪的轉速以及功率等相差不大。經分析，這是由實驗時環境風速所影響的。

3.2 焦斑大小測試分析

調節導軌微移臺使得焦斑落在斯特林機熱端中心處，調節升降臺，熱端在菲涅爾透鏡的焦點處，距離菲涅爾透鏡的高度為330 mm。測得太陽輻射強度為1 034 W/m2，測試時間段13∶30～13∶50，改變位移量△h，不同焦斑大小的實驗數據樣本，如表3 所示。

表3 焦斑中心在熱端中心的位移量△h 實驗數據

由表3 實驗數據結果可知，在菲涅爾透鏡焦點的焦斑能量能流密度最高且較為集中，最大溫度可達到660 ℃。當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，促使飛輪的轉速、發電機的輸出功率逐漸減少；當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，飛輪的轉速、發電機的輸出功率逐漸減少。

4 結論

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驗變量，針對熱端焦斑對位問題，借助升降臺和導軌微移臺來實現熱端的三維移動，進而有利于研究斯特林發動機安裝位置所造成的誤差對太陽能轉換效率的影響。上述實驗，通過改變聚光焦斑大小和位置，進而改變太陽能流密度，研究并客觀地描述焦斑位置偏移情況在對應時刻的發電機在一定負載下的輸出功率變化。