[發(fā)明專利]一種熱聲發(fā)電裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611179774.0
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106593798B
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳燕燕;劉冬冬;戴巍;胡劍英;羅二倉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所
• 主分類號: F03G7/00
• 分類號: F03G7/00;F03B13/00
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 湯財寶

本發(fā)明提供一種熱聲發(fā)電裝置，其包括：用于將熱能轉(zhuǎn)化為聲能的熱聲轉(zhuǎn)換單元、用于將聲能轉(zhuǎn)化為動能的液體活塞和用于將動能轉(zhuǎn)化為電能的雙向透平發(fā)電單元，所述液體活塞與該熱聲轉(zhuǎn)化單元相連，所述雙向透平發(fā)電單元裝設(shè)在所述液體活塞內(nèi)。本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、功率拓展性高且經(jīng)濟實用的熱聲發(fā)電裝置，以解決現(xiàn)有熱聲發(fā)電裝置所存在的體積大、輸出功率有限、能量密度較低、經(jīng)濟性較差的缺陷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱聲發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種液體活塞雙向透平熱聲發(fā)電裝置。

背景技術(shù)

當一個管道中存在適當?shù)臏囟忍荻葧r，熱聲振蕩就會自發(fā)產(chǎn)生，將熱能轉(zhuǎn)化比聲波形式的機械能，這就是熱聲效應(yīng)。熱聲效應(yīng)可以理解為流體在往復(fù)運動的過程中，與固體壁面之間發(fā)生的熱功轉(zhuǎn)換過程。熱聲發(fā)動機就是一種利用熱聲效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)換為聲能的能量轉(zhuǎn)換裝置，它具有以下優(yōu)點：系統(tǒng)中沒有運動部件，從根本上消除了常規(guī)機械所普遍存在的磨損與振動，運行穩(wěn)定可靠，使用壽命長；使用熱作為能源，可以利用太陽能、廢熱等作為驅(qū)動源，這對于解決偏遠地區(qū)動力缺乏的場合非常有意義；以液體作為工質(zhì)，有利于環(huán)保，所以具有非常廣闊的發(fā)展前景。目前，行波熱聲發(fā)動機的熱聲轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過了30％，已經(jīng)接近內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)換效率。

傳統(tǒng)熱聲發(fā)動機采用諧振管來儲存聲能、調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率以及為回?zé)崞魈峁┖线m阻抗。但諧振管造成系統(tǒng)尺寸偏大，比功率降低，其內(nèi)部聲功損失對整機效率也產(chǎn)生顯著影響，成為制約傳統(tǒng)熱聲發(fā)動機大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙之一。而液體活塞雙作用式的熱聲發(fā)動機得以解決這一問題。如圖1所示為三單元組合的系統(tǒng)簡圖，三個單元完全相同，每個單元由連接管1，熱聲轉(zhuǎn)換部件，連接管7，直流與液面控制裝置8，以及充有液體的U型壓力容器9組成。其中熱聲轉(zhuǎn)換部件包括室溫換熱器2，回?zé)崞?，加熱器4，熱緩沖管5，次室溫換熱器6。熱聲轉(zhuǎn)換部件及連接管內(nèi)部仍采用高壓氣體工質(zhì)，而在垂直U型管中使用液柱作為液體活塞。液體活塞的主要優(yōu)點有：(1)可實現(xiàn)零泄漏、小阻尼、長壽命、免散熱設(shè)備的大位移幅度振蕩，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時小阻尼帶來的較低起振溫度增強了熱聲發(fā)電系統(tǒng)熱源利用的適應(yīng)性；(2)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)通過加注液體質(zhì)量的改變即可實現(xiàn)，容易獲得諧振頻率較低的系統(tǒng)，降低了熱聲核心轉(zhuǎn)換單元的換熱設(shè)計難度；(3)采用封閉高壓系統(tǒng)，高密度特性相較于氣體諧振系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的緊湊度，系統(tǒng)功率密度大幅度提高。因此，液體活塞雙作用熱聲發(fā)動機在實現(xiàn)低成本、大功率的熱驅(qū)動熱機方面非常具有潛力。

然而，目前跟熱聲發(fā)動機耦合的發(fā)電機一般是直線發(fā)電機。如圖2所示為動磁式對置直線發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖，該動磁式對置直線發(fā)電機包含兩個對置運動的直線電機；直線電機由活塞10、支撐單元11、定子線圈12、動子磁體13及外殼14組成。

工作過程中，熱聲發(fā)動機中產(chǎn)生的聲波推動直線發(fā)電機活塞做往復(fù)運動，發(fā)電機的動子因為是跟活塞固定連接在一起，所以也同時進行往復(fù)運動，并切割磁力線，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。直線發(fā)電機由于活塞采用間隙密封，無任何摩擦，壽命長，同時效率也較高。但是隨著熱聲發(fā)電研究的進展，直線電機技術(shù)方面存在的不足也日益凸顯：(1)直線電機中，受支撐機制決定，活塞往復(fù)運動的位移受限，導(dǎo)致線圈切割磁力線的速度只有數(shù)米/秒，而電磁轉(zhuǎn)換的功率直接與該速度成正比，因此直線電機的功率不容易做大；(2)目前直線電機技術(shù)只在相對特殊的一些場合應(yīng)用，未形成大規(guī)模批量生產(chǎn)，間隙密封、板簧支撐、大量采用永磁體等因素導(dǎo)致其成本非常高，與常規(guī)旋轉(zhuǎn)式電機比有量級上的差別，對其實際應(yīng)用產(chǎn)生了嚴重阻礙；(3)隨著功率需求的增大，由于采用直線電機的熱聲發(fā)電系統(tǒng)有諧振要求，活塞面積和動子質(zhì)量越來越大，在支撐連接等結(jié)構(gòu)強度、磁路設(shè)計和系統(tǒng)振動抑制等方面帶來的技術(shù)難度也越來越大。

為適應(yīng)熱聲發(fā)電的大功率與低成本實用化發(fā)展需求，一種可能的途徑就是采用旋轉(zhuǎn)式電機替代直線電機，將動力活塞的往復(fù)運動通過旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)變成軸功，進而帶動常規(guī)旋轉(zhuǎn)式電機發(fā)電。