聚光焦斑偏移对太阳能斯特林发动机性能的影响

翁奕涛 于洋 吴肖邦 梁振康 黎芷均 王海

（肇庆学院 广东肇庆 526061）

0 引言

当前，我国致力于构建新发展格局，促进清洁能源利用，优化能源系统结构、节能减排将是推进我国能源低碳发展、实现2030 年前碳达峰目标和2060 年前碳中和愿景的关键着力点［1］。太阳能光热发电输出稳定、可调、连续，是一种可再生清洁能源利用技术，对人类的生活、社会生产以及可持续发展具有极为重要的现实意义。

目前，太阳能热发电形式主要有塔式、碟式、槽式、菲涅尔式四种。其中，槽式发电商业应用项目数量最多，碟式因其惊人的发展速度令世界瞩目，具有广阔的发展前景。但它们均存在成本高、结构复杂、机动性差等缺点，因此主要作为光热发电站示范，应用于边远地区进行独立供电［2-3］。相比之下，菲涅尔透镜厚度薄、质量轻、体积小、焦距短，较小的面积可以获得较高的温度等，由其构成的实验平台具有结构紧凑、量化生产成本低廉等优点［4］。

虽然光热发电技术相对成熟，但面对太阳能斯特林热发电系统技术中存在的不足和局限性，我国与欧洲一些发达国家相比还有一定的差距，该太阳能开发利用的应用创新仍需不断探讨［5］。本文阐述了菲涅尔透射式点聚焦实验测试平台调焦机构，并通过室外实验测试，开展了基于焦斑偏移对太阳能斯特林发动机性能影响的实验分析。

1 测试平台的设计原理

1.1 测试平台的组成

该平台中被检测部分主要由透射式菲涅尔太阳能聚光器、斯特林发动机、发电机等部件构成。检测部分主要由温度采集仪、非接触式转速测速仪、激光测距仪、功率计以及PC 数据终端等设备构成。通过太阳辐射聚光加热，测试不同温度下斯特林机的运行工况；通过升降台调节热端距离菲涅尔透镜的高度，改变聚光焦斑的大小；通过导轨微移台调节焦斑落在热端的位置，改变其偏移量；通过非接触式转速测速仪测定飞轮转速；通过太阳能辐射计测得太阳辐射强度；通过功率计测得发电机输出功率。

1.2 测试平台工作原理

聚光焦斑的大小、温度是能流密度的直接体现，将平行太阳光垂直透过菲涅尔透镜折射汇集，所形成焦斑在斯特林发动机的热端上产生高温，菲涅尔透镜聚光原理如图1 所示。通过气缸内工作介质经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，驱动斯特林机连杆使飞轮转动，飞轮与小型直流发电机之间采用皮带传动，最终实现太阳能-热能-机械能-电能的系列转换。

图1 菲涅尔透镜聚光原理示意图

1.3 焦斑移动系统

通过手动调节转动柄，转动柄与螺纹杆的螺纹配合下，螺纹杆左右移动，剪叉杆的伸缩，实现了通过转动柄控制升降台升降的功能，操作十分简单方便，使得斯特林机在Z 轴方向实现上下移动。通过导轨微移台调节使得斯特林机在X-Y 平面内水平移动，将经菲涅尔透镜汇聚后的焦斑完全照射在热端上。两者优势互补，可X-Y-Z 三维调节装置，实现焦斑在斯特机热端不同位置进行聚光发电性能测试，搭建实验平台实物图如图2 示。

图2 实验平台实物图

2 实验测试内容

该平台所采用的菲涅尔透镜面积为0.1 mm2，其焦距为330 mm；热端是石英玻璃腔，其直径为16 mm，长度18 mm。变量参数通过调节升降台，改变热端到菲涅尔透镜的位移量△h，调节导轨微移台改变焦斑到热端中心的偏移量△x、△y，测量不同热端温度下系统发电性能，其中测试变量参数包含飞轮转速、热端焦斑温度以及发电机输出电流、电压等参数变化等。

以2021 年5 月1 日中午实验数据为例，实验地点在肇庆学院科技实训楼楼顶（东经112°27′，北纬23°03′），天气晴朗，风速1 级。根据图2 所示，X 轴表示东西方向，朝东为正，朝西为负；Y 轴表示南北方向，朝北为正，朝南为负；Z 轴表示高度方向，向上为正，向下为负。实验开始前，调整双轴跟踪云台，使得跟踪状态达到最佳，减小焦斑偏移，保温腔体放置于热端，减小外界环境风速对吸热头表面的热损失。当焦斑落在热端上时，按实验要求调节好升降台高度与偏移量，顺时针拨动飞轮引发斯特林机运转。期间，同步记录所测得斯特林机飞轮转速、焦斑温度、太阳辐射强度以及发电机输出电流（I）、电压（U）。此后重复上述步骤，直至完成实验要求。实验结束后，对实验数据进行处理，其中系统发电功率（P）由P=UI 进行计算。

3 实验数据分析

3.1 焦斑偏移量测试分析

调节升降台的高度，斯特林机热端在菲涅尔透镜的焦点处，距离菲涅尔透镜的高度为330 mm。测得太阳辐射强度为1 024 W/m2，测试时间段12∶30～13∶00。不同焦斑距离热端中心偏移量△x 的实验数据样本，如表1 所示。

表1 焦斑中心在热端中心的偏移量△x 实验数据

调节升降台高度，热端在菲涅尔透镜的焦点处，距离菲涅尔透镜的高度为330 mm。测得太阳辐射强度为866 W/m2，测试时间段13∶00～13∶30。不同焦斑距离热端中心偏移量△y 的实验数据样本，如表2 所示。

表2 焦斑中心在热端中心的偏移量△y 实验数据

由上述实验结果可知，当焦斑在焦平面上，焦斑中心在热端中心时，即△x=0 mm 和△y=0 mm，飞轮的转速、发电机的输出功率最大；随着△x、△y 各自偏移量的增加，飞轮的转速、发电机的输出功率逐渐减少。表1、表2 中的数据显示，焦斑在上文所述南北方向、东西方向偏移量相同时，飞轮的转速以及功率等相差不大。经分析，这是由实验时环境风速所影响的。

3.2 焦斑大小测试分析

调节导轨微移台使得焦斑落在斯特林机热端中心处，调节升降台，热端在菲涅尔透镜的焦点处，距离菲涅尔透镜的高度为330 mm。测得太阳辐射强度为1 034 W/m2，测试时间段13∶30～13∶50，改变位移量△h，不同焦斑大小的实验数据样本，如表3 所示。

表3 焦斑中心在热端中心的位移量△h 实验数据

由表3 实验数据结果可知，在菲涅尔透镜焦点的焦斑能量能流密度最高且较为集中，最大温度可达到660 ℃。当焦斑在菲涅尔透镜的焦平面上方，随着位移量△h 的增加，焦斑逐渐增大，这主要是由于焦斑平均能流密度、温度逐渐降低，促使飞轮的转速、发电机的输出功率逐渐减少；当焦斑在菲涅尔透镜的焦平面下方，随着位移量△h 的增大，焦斑平均能流密度、温度逐渐降低，飞轮的转速、发电机的输出功率逐渐减少。

4 结论

本文以焦斑落在热端的大小和焦斑中心距离热端中心的偏移量作为实验变量，针对热端焦斑对位问题，借助升降台和导轨微移台来实现热端的三维移动，进而有利于研究斯特林发动机安装位置所造成的误差对太阳能转换效率的影响。上述实验，通过改变聚光焦斑大小和位置，进而改变太阳能流密度，研究并客观地描述焦斑位置偏移情况在对应时刻的发电机在一定负载下的输出功率变化。