[發明專利]一種串級冷熱電聯產裝置

在審

• 申請號: 201711331703.2
• 申請日: 2017-12-13
• 公開（公告）號: CN108167147A
• 公開（公告）日: 2018-06-15
• 發明（設計）人: 戴巍;劉冬冬;陳燕燕;胡劍英;羅二倉
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: F03G7/00
• 分類號: F03G7/00;F01D15/10;F25B9/14
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩;吳歡燕

本發明提供一種串級冷熱電聯產裝置，包括依次連接的壓縮機、行波熱聲發動機、脈管制冷機和雙向透平發電裝置；所述壓縮機用于產生壓力波，將電能轉化為聲功；所述行波熱聲發動機用于產生熱聲效應，放大所述聲功并輸出；所述脈管制冷機用于接收放大后的聲功，消耗聲功產生制冷效應，并將消耗聲功后的剩余聲功傳輸至所述雙向透平發電裝置；所述雙向透平發電裝置用于將剩余聲功轉換為電能，將部分電能返饋回至所述壓縮機，以供壓縮機運行，并將剩余的電能傳輸至其他用電、儲電設備。通過調相結構高效串接發動機、制冷機以及雙向透平發電裝置，將雙向透平發電裝置產生的電功又可以供給壓縮機電能，實現了冷熱電的聯產，結構簡單，具有廣闊應用潛力。

技術領域

本發明涉及功能節能技術領域，更具體地，涉及一種串級冷熱電聯產裝置。

背景技術

在工業生產及居民生活中的很多應用場合都同時需要冷、熱、電資源。能源領域多年前就提出了分布式的冷熱電聯產方案，可以同時提供電力，生活用冷能和熱能。現有的冷熱電聯產系統多以天然氣或者液體燃料作為一次能源，利用燃氣輪機、內燃機或者蒸汽輪機產生電能，再利用吸收式或者吸附式制冷將上述系統的較高溫余熱轉化為冷能，流程中略高于環境溫度的余熱用于生活供熱。通過能源的梯級利用，一方面實現了冷熱電的同時輸出，另一方面也提高了一次能源的綜合利用率。但是，傳統的冷熱電聯產方案通常至少由一個發電子系統和一個制冷子系統構成，有時甚至由多個子系統耦合在一起，系統復雜度較高。此外，由于制冷技術的限制，制冷溫度不能進一步降低；而且小功率系統性能低下等問題，限制了其它領域的應用。

公開號為CN100427848C的中國發明專利提供了一種可回收聲功式的行波熱聲發動機驅動行波熱聲制冷機的裝置，行波熱聲制冷機的膨脹功被重新送到發動機。然而，這種方式使得制冷機與發動機間的耦合難度大大增加，系統設計及制作難度都大幅增加。公開號為CN102734098B中國發明專利公布了一種雙作用行波熱聲發電系統，該系統中采用了三個及三個以上的行波熱聲發動機，在兩個行波熱聲發動機之間串聯了一個直線發電機。該發電機可以實現熱能到電能的轉化，但存在發動機與發電機之間耦合困難等問題。公開號為CN103835903B的中國發明專利公布了一種行波熱聲冷熱電聯供系統，其至少由三臺行波熱聲發動機、至少一臺行波熱聲制冷機和直線電機以及諧振單元組成。行波熱聲發動機通過諧振單元首尾相連構成環路，行波熱聲制冷機一端旁接于諧振單元，另一端與直線發電機相連，通過熱聲行波熱聲發動機實現熱聲到聲功的轉化，通過行波熱聲制冷機和直線發電機實現聲功到冷熱電的轉化。但是，該系統為環路結構，系統龐大，產生的直流以及單元的不一致性極大的影響了系統效率，這在級數越高時尤其如此。公開號為CN105805974A的中國專利申請公開了一種自由活塞斯特林發動機驅動的脈管制冷機系統，同時采用直線電機提供制冷機高效運行所需要的聲阻抗并回收利用制冷機脈管室溫端聲功發電。但采用直線電機發電使得整個裝置的功率范圍及經濟性受限。

綜上，現有的冷熱電聯產裝置中聲電轉化部分均采用直線電機作為聲功轉換裝置，但是隨著熱聲系統向大功率實用化方向的發展，直線電機的劣勢也越來越明顯：(1)直線電機中，受支撐機制決定，活塞往復運動的位移受限，導致線圈切割磁力線的速度只有數米/秒，直線電機的功率不容易做大，功率密度也很低；(2)目前熱聲系統中應用的直線電機未形成大規模批量生產，間隙密封、板簧支撐、大量采用永磁體等因素導致其成本非常高，與常規旋轉式電機比有量級上的差別，對其實際應用產生了嚴重阻礙；(3)隨著功率需求的增大，由于采用直線電機的熱聲發電系統有諧振要求，活塞面積和動子質量越來越大，在支撐連接等結構強度、磁路設計和系統振動抑制等方面帶來的技術難度也越來越大。

發明內容

本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種串級冷熱電聯產裝置，解決了現有技術中直線電機作為聲功轉換裝置導致功率低、成本高、技術難度大，不利于實際應用的問題。

根據本發明的一個方面，提供一種串級冷熱電聯產裝置，包括依次連接的壓縮機、行波熱聲發動機、脈管制冷機和雙向透平發電裝置；所述壓縮機用于產生壓力波，將電能轉化為聲波形式的機械能；