一種頻率可調的光熱聲轉換方法、裝置及太陽能發電裝置的製作方法
2023-09-18 23:17:15
專利名稱：一種頻率可調的光熱聲轉換方法、裝置及太陽能發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一 種頻率可調的光熱聲轉換方法、裝置及太陽能發電裝置。
背景技術：
熱聲轉換裝置是一種將熱能轉換為聲能的裝置，在熱聲發動機和熱聲制冷機中發揮著重要作用。現有的熱聲熱機中的熱聲轉換裝置均是採用具有溫度梯度的回熱器這一核心部件實現熱聲的轉換。正是由於回熱器的存在，往復振蕩的流體工質藉助於回熱器微小通道的邊界效應才能把加在固體填料上的軸向溫度差調製成了橫向的熱波，從而實現溫度波動與振蕩流體之間的換熱。回熱器內的熱力循環是由回熱器自身的內部結構特性來實現的，通過改變回熱器的結構及工質類型等可改變熱聲熱機的工作頻率，但操作較為複雜，僅僅是從輸出端來考慮，並未從根本上解決頻率單一、負載不匹配等問題。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種頻率可調的光熱聲轉換方法及裝置，該方法和裝置與傳統的熱聲轉換方法和裝置有著本質的區別，具有頻率可調、環境友好、簡單易行的優點；另一目的是提供一種利用該裝置製成的太陽能發電裝置。本發明的技術方案是一種頻率可調的光熱聲轉換方法，包括以下步驟首先將光線會聚，通過斬光碟對會聚後的光線進行切割，然後採用光熱轉換單元將切割後光線吸收，轉化成周期性變化的熱能，形成溫度波動，溫度波動傳遞給聲腔中臨近光熱轉換單元的工作介質，產生周期性的膨脹和壓縮，從而產生聲壓。為了與聲腔產生共振，使聲壓得到放大，輸出效果最佳，可以調整斬光碟對光線切割的頻率，使所述聲壓的頻率與聲腔的固有頻率相同。一種頻率可調的光熱聲轉換的裝置，包括依次設置的聚光透鏡、斬光碟、光熱轉換單元和聲腔，光熱轉換單元安裝在聲腔上，聲腔中充有工作介質；聚光透鏡、斬光碟上部的通光孔和光熱轉換單元成一直線；所述斬光碟安裝在電機軸上，電機與電機調速器連接。所述電機優選為小型直流電機，電機調速器優選為直流電機調速器。為了使光線有效會聚，所述聚光透鏡為菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡光透過率達90 %， 光線會聚率為75 85%，並且採用PMMA材料，耐熱性能好。所述光熱轉換單元為熱阻小、熱慣性小的光熱材料，優選為銅片或鋁片，厚度小於其自身熱擴散長度。當熱慣性大時，響應時間慢，在熱功率直流分量的影響下，只能產生微弱的、甚至無法產生交變的熱功率。而控制銅片或鋁片的厚度是為了減少熱慣性的影響，當厚度小於其自身熱擴散長度時，甚至可以忽略熱慣性的影響。同時，為了加強光吸收率，表面塗有強光吸收係數的塗層，具體可以採用中性碳素筆將表面塗黑。所述工作介質優選為空氣、氦氣、氖氣或者氬氣，更優選為空氣或氦氣。所述聲腔由絕熱的材料製成，通常情況下為圓柱形。為了獲得較大的輸出聲壓，所述聲腔由耦合的兩個赫姆霍茲共鳴器構成。本發明所述光源可以直接採用太陽光，也可是PAR燈等光源。本發明還提出了一種太陽能發電裝置，該裝置由頻率可調的光熱聲轉換裝置和聲電轉換單元組成，聲電轉換單元設置在聲腔的腔體上。聲電轉換單元優選為電磁式換能器、 壓電式換能器或靜電式換能器。本發明的有益效果是本發明提供的頻率可調的光熱聲轉換方法，以光能轉換的熱能為驅動熱源，通過主動調節輸入端頻率達到所需的工作頻率，從根本上解決了頻率單一、負載不匹配的問題，操作簡單易行；本發明提供的頻率可調的光熱聲轉換裝置具有頻率可調、環境友好和結構簡單的優點，可以與太陽能利用相結合，是太陽能利用新方式的探索，為熱聲熱機結構的改進提供新的思路，在熱聲熱機，熱聲製冷，新能源利用與開發，航空航天等領域有著廣泛的應用前景。
圖1是本發明頻率可調的光熱聲轉換裝置結構示意圖。圖2是本發明調頻裝置結構示意圖。圖3是本發明斬光碟結構示意圖。圖4是本發明斬光碟結構示意圖。圖5是太陽能發電裝置結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。實施例1如圖1和2所示，一種頻率可調的光熱聲轉換裝置，包括光源1、菲涅爾透鏡2、調頻裝置4、光熱轉換單元5和聲腔6。其中，光熱轉換單元5為鋁片，鋁片朝向光源一面用中性碳素筆塗黑；聲腔6為赫姆霍茲諧振式聲腔，由兩個耦合的具有公共聲質量的赫姆霍茲共鳴器構成，聲腔6中充滿氦氣，光熱轉換單元5設置在聲腔6上。調頻裝置4包括直流電機調速器7、直流電機9和邊緣開有通光孔12的斬光碟11，直流電機調速器7通過導線8 與直流電機9相連接，斬光碟11通過法蘭10安裝在直流電機9軸上。所述光源1、菲涅爾透鏡2、調頻裝置4和聲腔6均安裝在支座3上，光線依次穿過菲涅爾透鏡2和斬光碟11上部的通光孔12照射在光熱轉換單元5上，光熱轉換單元5位於菲涅爾透鏡2焦點處，且斬光碟11上部通光孔12的中心線、菲涅爾透鏡2焦點的中心和聲腔6的中心線位於同一軸線上。另外，根據斬光碟11上通光孔12的大小和形狀的不同，可製成不同形式的斬光碟，如圖3和4所示。圖3中，斬光碟11周邊等角度均勻的分布著圓形通光孔12，光源被隔斷的時間大於通過的時間；圖4中，斬光碟11上等角度均勻分布有扇形通光孔12，光源被隔斷和通過的時間是相同的。不同形狀的斬光碟相當於提供了不同的輸入模式。下面結合裝置對本發明頻率可調的光熱聲轉換方法進行說明(1)本實施例中光源1為PAR燈，PAR燈發出一束平行光，斬光碟11對經菲涅爾透鏡2會聚後的平行光進行切割，形成周期性變化的光斑；
(2)利用光熱效應，光熱轉換單元5吸收周期性變化的光斑並轉換成周期性變化的熱能，形成溫度波動，溫度波動傳遞給聲腔中臨近光熱轉換單元5的薄層氦氣；(3)薄層氦氣(又稱為有效熱傳遞區域內的氦氣)產生周期性的膨脹和壓縮(類似于振動活塞)，從而在聲腔6內產生聲壓，聲壓的頻率與調頻裝置4的調製頻率一致，調頻裝置4的調製頻率為電機轉速η與斬光碟上通光孔數目m的乘積，即f = n*m，；(5)通過直流電機調速器7改變直流電機9的轉速或者選用通光孔數目不同的斬光碟11來調節聲壓頻率，當產生的聲壓頻率與聲腔6的固有頻率相同時，產生共振，聲壓得到放大，輸出效果最佳。實施例2 如圖5所示，太陽能發電裝置，該裝置由頻率可調的光熱聲轉換裝置和聲電轉換單元15組成，頻率可調的光熱聲轉換裝置的基本結構與實施例1相同，不同之處是以太陽光為光源。聲電轉換單元15具體可採用電磁式換能器、壓電式換能器或靜電式換能器，本實施例中採用壓電式換能器，並以矩陣的形式排列在聲腔6的腔體上。首先頻率可調的熱聲轉換裝置對環境中的太陽能進行處理，將其轉化為有用的聲能，再經聲電轉換單元15實現聲能到電能的轉換。將各個聲電轉換單元15以矩陣的形式組合起來，可以增強輸出電功率。
權利要求
1.一種頻率可調的光熱聲轉換方法，其特徵在於包括以下步驟首先將光線會聚，通過斬光碟對會聚後的光線進行切割，然後採用光熱轉換單元將切割後光線吸收，轉化成周期性變化的熱能，形成溫度波動，溫度波動傳遞給聲腔中臨近光熱轉換單元的工作介質，產生周期性的膨脹和壓縮，從而產生聲壓。
2.按權利要求1所述的頻率可調的光熱聲轉換方法，其特徵在於所述聲壓的頻率與聲腔的固有頻率相同。
3.實現權利要求1或2所述方法的裝置，其特徵在於包括依次設置的聚光透鏡、斬光碟、光熱轉換單元和聲腔，光熱轉換單元安裝在聲腔上，聲腔中充有工作介質；聚光透鏡、斬光碟上部的通光孔和光熱轉換單元成一直線；所述斬光碟安裝在電機軸上，電機與電機調速器連接。
4.按權利要求3所述的頻率可調的光熱聲轉換裝置，其特徵在於所述光熱轉換單元為銅片或鋁片，厚度小於其自身的熱擴散長度。
5.按權利要求4所述的頻率可調的光熱聲轉換裝置，其特徵在於所述銅片或鋁片表面塗有強光吸收係數的塗層。
6.按權利要求3或4或5所述的頻率可調的光熱聲轉換裝置，其特徵在於所述工作介質為空氣、氦氣、氖氣或者氬氣。
7.按權利要求3或4或5所述的頻率可調的光熱聲轉換裝置，其特徵在於所述聚光透鏡為菲涅爾透鏡。
8.按權利要求3或4或5所述的頻率可調的光熱聲轉換裝置，其特徵在於所述聲腔由耦合的兩個赫姆霍茲共鳴器構成。
9.利用權利要求3 8所述的頻率可調的光熱聲轉換裝置製成的太陽能發電裝置，其特徵在於由頻率可調的光熱聲轉換裝置和聲電轉換單元組成，聲電轉換單元設置在聲腔的腔體上。
10.按權利要求9所述的太陽能發電裝置，其特徵在於所述聲電轉換單元為電磁式換能器、壓電式換能器或靜電式換能器。
全文摘要
本發明涉及一種頻率可調的光熱聲轉換方法及裝置，該方法包括以下步驟首先將光線會聚，通過斬光碟對會聚後的光線進行切割，然後採用光熱轉換單元對切割後光線進行吸收，轉化成周期性變化的熱能，形成溫度波動，溫度波動傳遞給聲腔中臨近光熱轉換單元的工作介質，產生周期性的膨脹和壓縮，從而產生聲壓。裝置包括依次設置的聚光透鏡、斬光碟、光熱轉換單元和聲腔，光熱轉換單元安裝在聲腔上，聲腔中充有工作介質；聚光透鏡、斬光碟上部的通光孔和光熱轉換單元成一直線；所述斬光碟安裝在電機軸上，電機與電機調速器連接。此外，本發明提供的頻率可調的光熱聲轉換裝置可以與太陽能利用相結合。
文檔編號F03G6/06GK102182657SQ201110100669
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月21日 優先權日2011年4月21日
發明者萬廣通, 王紅星, 董衛, 陳豔, 魏嫻 申請人:東南大學