专利名称：一种频率可调的光热声转换方法、装置及太阳能发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一 种频率可调的光热声转换方法、装置及太阳能发电装置。
背景技术：
热声转换装置是一种将热能转换为声能的装置，在热声发动机和热声制冷机中发挥着重要作用。现有的热声热机中的热声转换装置均是采用具有温度梯度的回热器这一核心部件实现热声的转换。正是由于回热器的存在，往复振荡的流体工质借助于回热器微小通道的边界效应才能把加在固体填料上的轴向温度差调制成了横向的热波，从而实现温度波动与振荡流体之间的换热。回热器内的热力循环是由回热器自身的内部结构特性来实现的，通过改变回热器的结构及工质类型等可改变热声热机的工作频率，但操作较为复杂，仅仅是从输出端来考虑，并未从根本上解决频率单一、负载不匹配等问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种频率可调的光热声转换方法及装置，该方法和装置与传统的热声转换方法和装置有着本质的区别，具有频率可调、环境友好、简单易行的优点；另一目的是提供一种利用该装置制成的太阳能发电装置。本发明的技术方案是一种频率可调的光热声转换方法，包括以下步骤首先将光线会聚，通过斩光盘对会聚后的光线进行切割，然后采用光热转换单元将切割后光线吸收，转化成周期性变化的热能，形成温度波动，温度波动传递给声腔中临近光热转换单元的工作介质，产生周期性的膨胀和压缩，从而产生声压。为了与声腔产生共振，使声压得到放大，输出效果最佳，可以调整斩光盘对光线切割的频率，使所述声压的频率与声腔的固有频率相同。一种频率可调的光热声转换的装置，包括依次设置的聚光透镜、斩光盘、光热转换单元和声腔，光热转换单元安装在声腔上，声腔中充有工作介质；聚光透镜、斩光盘上部的通光孔和光热转换单元成一直线；所述斩光盘安装在电机轴上，电机与电机调速器连接。所述电机优选为小型直流电机，电机调速器优选为直流电机调速器。为了使光线有效会聚，所述聚光透镜为菲涅尔透镜。菲涅尔透镜光透过率达90 %， 光线会聚率为75 85%，并且采用PMMA材料，耐热性能好。所述光热转换单元为热阻小、热惯性小的光热材料，优选为铜片或铝片，厚度小于其自身热扩散长度。当热惯性大时，响应时间慢，在热功率直流分量的影响下，只能产生微弱的、甚至无法产生交变的热功率。而控制铜片或铝片的厚度是为了减少热惯性的影响，当厚度小于其自身热扩散长度时，甚至可以忽略热惯性的影响。同时，为了加强光吸收率，表面涂有强光吸收系数的涂层，具体可以采用中性碳素笔将表面涂黑。所述工作介质优选为空气、氦气、氖气或者氩气，更优选为空气或氦气。所述声腔由绝热的材料制成，通常情况下为圆柱形。为了获得较大的输出声压，所述声腔由耦合的两个赫姆霍兹共鸣器构成。本发明所述光源可以直接采用太阳光，也可是PAR灯等光源。本发明还提出了一种太阳能发电装置，该装置由频率可调的光热声转换装置和声电转换单元组成，声电转换单元设置在声腔的腔体上。声电转换单元优选为电磁式换能器、 压电式换能器或静电式换能器。本发明的有益效果是本发明提供的频率可调的光热声转换方法，以光能转换的热能为驱动热源，通过主动调节输入端频率达到所需的工作频率，从根本上解决了频率单一、负载不匹配的问题，操作简单易行；本发明提供的频率可调的光热声转换装置具有频率可调、环境友好和结构简单的优点，可以与太阳能利用相结合，是太阳能利用新方式的探索，为热声热机结构的改进提供新的思路，在热声热机，热声制冷，新能源利用与开发，航空航天等领域有着广泛的应用前景。
图1是本发明频率可调的光热声转换装置结构示意图。图2是本发明调频装置结构示意图。图3是本发明斩光盘结构示意图。图4是本发明斩光盘结构示意图。图5是太阳能发电装置结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。实施例1如图1和2所示，一种频率可调的光热声转换装置，包括光源1、菲涅尔透镜2、调频装置4、光热转换单元5和声腔6。其中，光热转换单元5为铝片，铝片朝向光源一面用中性碳素笔涂黑；声腔6为赫姆霍兹谐振式声腔，由两个耦合的具有公共声质量的赫姆霍兹共鸣器构成，声腔6中充满氦气，光热转换单元5设置在声腔6上。调频装置4包括直流电机调速器7、直流电机9和边缘开有通光孔12的斩光盘11，直流电机调速器7通过导线8 与直流电机9相连接，斩光盘11通过法兰10安装在直流电机9轴上。所述光源1、菲涅尔透镜2、调频装置4和声腔6均安装在支座3上，光线依次穿过菲涅尔透镜2和斩光盘11上部的通光孔12照射在光热转换单元5上，光热转换单元5位于菲涅尔透镜2焦点处，且斩光盘11上部通光孔12的中心线、菲涅尔透镜2焦点的中心和声腔6的中心线位于同一轴线上。另外，根据斩光盘11上通光孔12的大小和形状的不同，可制成不同形式的斩光盘，如图3和4所示。图3中，斩光盘11周边等角度均勻的分布着圆形通光孔12，光源被隔断的时间大于通过的时间；图4中，斩光盘11上等角度均勻分布有扇形通光孔12，光源被隔断和通过的时间是相同的。不同形状的斩光盘相当于提供了不同的输入模式。下面结合装置对本发明频率可调的光热声转换方法进行说明(1)本实施例中光源1为PAR灯，PAR灯发出一束平行光，斩光盘11对经菲涅尔透镜2会聚后的平行光进行切割，形成周期性变化的光斑；
(2)利用光热效应，光热转换单元5吸收周期性变化的光斑并转换成周期性变化的热能，形成温度波动，温度波动传递给声腔中临近光热转换单元5的薄层氦气；(3)薄层氦气(又称为有效热传递区域内的氦气)产生周期性的膨胀和压缩(类似于振动活塞)，从而在声腔6内产生声压，声压的频率与调频装置4的调制频率一致，调频装置4的调制频率为电机转速η与斩光盘上通光孔数目m的乘积，即f = n*m，；(5)通过直流电机调速器7改变直流电机9的转速或者选用通光孔数目不同的斩光盘11来调节声压频率，当产生的声压频率与声腔6的固有频率相同时，产生共振，声压得到放大，输出效果最佳。实施例2 如图5所示，太阳能发电装置，该装置由频率可调的光热声转换装置和声电转换单元15组成，频率可调的光热声转换装置的基本结构与实施例1相同，不同之处是以太阳光为光源。声电转换单元15具体可采用电磁式换能器、压电式换能器或静电式换能器，本实施例中采用压电式换能器，并以矩阵的形式排列在声腔6的腔体上。首先频率可调的热声转换装置对环境中的太阳能进行处理，将其转化为有用的声能，再经声电转换单元15实现声能到电能的转换。将各个声电转换单元15以矩阵的形式组合起来，可以增强输出电功率。
权利要求
1.一种频率可调的光热声转换方法，其特征在于包括以下步骤首先将光线会聚，通过斩光盘对会聚后的光线进行切割，然后采用光热转换单元将切割后光线吸收，转化成周期性变化的热能，形成温度波动，温度波动传递给声腔中临近光热转换单元的工作介质，产生周期性的膨胀和压缩，从而产生声压。
2.按权利要求1所述的频率可调的光热声转换方法，其特征在于所述声压的频率与声腔的固有频率相同。
3.实现权利要求1或2所述方法的装置，其特征在于包括依次设置的聚光透镜、斩光盘、光热转换单元和声腔，光热转换单元安装在声腔上，声腔中充有工作介质；聚光透镜、斩光盘上部的通光孔和光热转换单元成一直线；所述斩光盘安装在电机轴上，电机与电机调速器连接。
4.按权利要求3所述的频率可调的光热声转换装置，其特征在于所述光热转换单元为铜片或铝片，厚度小于其自身的热扩散长度。
5.按权利要求4所述的频率可调的光热声转换装置，其特征在于所述铜片或铝片表面涂有强光吸收系数的涂层。
6.按权利要求3或4或5所述的频率可调的光热声转换装置，其特征在于所述工作介质为空气、氦气、氖气或者氩气。
7.按权利要求3或4或5所述的频率可调的光热声转换装置，其特征在于所述聚光透镜为菲涅尔透镜。
8.按权利要求3或4或5所述的频率可调的光热声转换装置，其特征在于所述声腔由耦合的两个赫姆霍兹共鸣器构成。
9.利用权利要求3 8所述的频率可调的光热声转换装置制成的太阳能发电装置，其特征在于由频率可调的光热声转换装置和声电转换单元组成，声电转换单元设置在声腔的腔体上。
10.按权利要求9所述的太阳能发电装置，其特征在于所述声电转换单元为电磁式换能器、压电式换能器或静电式换能器。
全文摘要
本发明涉及一种频率可调的光热声转换方法及装置，该方法包括以下步骤首先将光线会聚，通过斩光盘对会聚后的光线进行切割，然后采用光热转换单元对切割后光线进行吸收，转化成周期性变化的热能，形成温度波动，温度波动传递给声腔中临近光热转换单元的工作介质，产生周期性的膨胀和压缩，从而产生声压。装置包括依次设置的聚光透镜、斩光盘、光热转换单元和声腔，光热转换单元安装在声腔上，声腔中充有工作介质；聚光透镜、斩光盘上部的通光孔和光热转换单元成一直线；所述斩光盘安装在电机轴上，电机与电机调速器连接。此外，本发明提供的频率可调的光热声转换装置可以与太阳能利用相结合。
文档编号F03G6/06GK102182657SQ201110100669
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者万广通, 王红星, 董卫, 陈艳, 魏娴 申请人:东南大学