CN101344077A - 以太阳能为驱动源的热声发电方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以太阳能为驱动源的热声发电方法及其系统。热声发电系统包括太阳能收集器、谐振管、热声板叠、冷端换热器、热端换热器、电解质液体、液柱振幅放大管、发电装置等，发电装置除周期振荡运动的电解质外，还包括磁体和电极等。本发明采用以太阳能为驱动源的热致声效应产生的气体压力振荡，转换为谐振管中电解质液体的周期振荡运动，再通过液柱振幅放大管把小振幅的液位振荡放大到一个大振幅的液位振荡，由此增大电解质液体柱的流速。最后，周期振荡运动的电解质液柱切割垂直于液柱运动方向的磁力线，在电极上产生电势差而发电。本发明意在利用太阳能这一可再生能源，驱动一热致声转换系统，在缺乏电力的地方，能够实现发电的功能。

Description

以太阳能为驱动源的热声发电方法及其系统

技术领域

本发明涉及发电系统，尤其涉及一种以太阳能为驱动源的热声发电方法及其系统。

背景技术

热声效应是热与声之间的相互转换过程，根据能量的转换方向可以分成热致声和声致热(冷)两种。由于声波本身就是一种机械波，可以在平衡位置附近产生周期性的往复运动，热声发电就是利用热致声效应产生气体压力振荡，并利用气液耦合转换为电解质液柱的周期运动，这种电解质溶液的往复运动通过一定的磁场时，由于切割磁力线而在两个电极上产生电势差，实现发电效应。由于热声发电效应首先依赖于系统中压力振荡的存在，首要工作是产生压力波。目前的发电系统多是利用热能产生高压水蒸气，由高压水蒸气驱动透平机械，或者利用水势能等其他能量方式驱动透平机械，进而带动发电机发电；也有以氢为能源的燃料电池发电等技术。这些技术的共同特点是需要消耗一定量的其他形式常规能源，易受资源储量短缺等不利因素限制。近年来，风能和太阳能等新能源由于其清洁、可再生等优点受到越来越多的重视，太阳能发电也成了研究热点，人们对其实际应用抱有很高的期望。常规太阳能发电是利用光伏效应直接产生电能，这种方式虽然在形式上非常直接，但是也受到光伏电池板的光电转换效率、制造成本等因素的限制，目前尚未得到大面积的应用。利用热声效应把从太阳能中获得的热能转化为机械能，再利用电磁转换原理把机械能转化为电能，是一种新的尝试，将具有一定的现实意义。至于热声发电系统，目前已经有多种不同的方案，包括液态金属磁流体热声发电系统、行波型热声直线发电系统、驻波型热声电解质-磁场耦合发电系统等。本发明的电解质-磁场耦合发电的机理跟第三种方案相同，不同之处在于本发明采用的是Rijke型热声谐振管，而且在热声谐振部分采用了振幅放大装置，能使电解质流体实现更大的振幅进而更高的流速。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种以太阳能为驱动源的热声发电方法及其系统。

以太阳能为驱动源的热声发电方法是采用以太阳能为驱动源的热致声效应产生气体压力振荡，通过气液耦合转换为电解质液体的液柱周期运动，再利用液柱振幅放大管把小振幅的液柱振荡放大到一个大振幅的液位振荡，提高电解质液柱的速度，最后利用周期振荡运动的电解质液柱切割垂直于液柱运动方向的磁力线，在电极上产生电势差而实现发电。

以太阳能为驱动源的热声发电系统，其特征在于包括太阳能收集器、热声谐振管、热端换热器、热声板叠、冷端换热器、电解质液体、液柱振幅放大管、发电装置，发电装置包括电磁体、电极，热声谐振管为环状管道，热声谐振管环状管道上部设有热声核，热声核依次设有热端换热器、热声板叠、冷端换热器，热声谐振管下部装有电解质液体，热声谐振管环状管道一侧底部与液柱振幅放大管相连接，液柱振幅放大管由放大细盘管和直管段组成，在液柱振幅放大管的直管段上装有发电装置，发电装置包括磁体和电极，热声核的热端换热器相对应处设有太阳能收集器。

所述的电解质液体为碳酸氢钠、碳酸氢钾或磷酸二氢钠。

目前的发电系统多是利用热能产生高压水蒸气，由高压水蒸气驱动透平机械，或者利用水势能等其他能量方式驱动透平机械，进而带动发电机发电；也有以氢为能源的燃料电池发电等技术。这些技术的共同特点是需要消耗一定量的其他形式常规能源，易受资源储量短缺等不利因素限制。本发明利用太阳能这一可再生能源(其他余热和废热等亦可)，驱动一热致声转换系统，在缺乏电力的地方(如野外)，能够实现发电功能，具有一定的实用价值。同其他利用电解质流体的热声发电装置相比，由于采用Rijke型热声谐振管，而且在热声谐振部分采用了振幅放大装置，能使电解质流体实现更大的振幅进而更高的流速，进而能够提高电力输出功率。

附图说明

图1是以太阳能为驱动源的热声发电系统的结构示意图；

图2是周期振荡运动的电解质流体在磁场作用下进行发电的系统结构示意图；

图3是热声谐振管中两个典型振荡状态下液柱位置示意图；

图中：太阳能收集器1、热声谐振管2、热端换热器3、热声板叠4、冷端换热器5、电解质液体6、液柱振幅放大管7、发电装置8、磁体9、电极10。

具体实施方式

本发明采用一种有别于传统发电系统的新型电解质流体振荡产生方式，即利用热致声效应产生的气体压力振荡，通过气液耦合作用产生液柱的周期性振荡运动。其中热致声系统的驱动源为太阳能，利用太阳能收集装置提升能源品位，提高热源温度至热声系统的起振温度以上。在谐振管上连接有一根振幅放大装置，以此来放大液柱振荡的幅度和液柱运动速度。然后利用液柱振幅放大管中电解质液体柱的来回运动切割垂直于运动方向的磁力线而在电解质中的电极上产生电势差，连接外载负荷即能输出电能。

如附图1、2所示，以太阳能为驱动源的热声发电系统包括太阳能收集器1、热声谐振管2、热端换热器3、热声板叠4、冷端换热器5、电解质液体6、液柱振幅放大管7、发电装置8，发电装置8包括磁体9、电极10，热声谐振管2为环状管道，热声谐振管环状管道上部设有热声核，热声核依次设有热端换热器3、热声板叠4、冷端换热器5，热声谐振管下部装有电解质液体6，热声谐振管环状管道一侧底部与液柱振幅放大管7相连接，液柱振幅放大管7由放大细盘管和直管段组成，在液柱振幅放大管7的直管段上装有发电装置8，发电装置8包括磁体9和电极10，热声核的热端换热器3相对应处设有太阳能收集器1。

电解质液体6为碳酸氢钠、碳酸氢钾或磷酸二氢钠。

太阳能收集器1是一个直径比较大的聚光面，用于把太阳光聚焦到某一点，热声核的热端换热器3置于该点，聚焦后的太阳能作为系统的驱动源。太阳能收集器上要设置太阳光线跟踪装置，使得系统能够随着太阳光的入射方向而变化。由此，聚焦点也会发生变化，所以整个谐振管部分要与太阳能收集器发生关联动作，以保证聚焦后的光线能入射到热端换热器。

热端换热器3、热声板叠4以及冷端换热器5构成了热能向声能转换的核心，激起热声振荡的必要条件是要在热声板叠4的两端形成一个足够大的温度梯度(临界阈值通常被称为临界温度梯度)，这个温度梯度通过热端换热器3的加热和冷端换热器4的冷却来实现。为了能够很好地吸收聚焦光线中的能量，热端换热器3要具有较高的“有效吸收系数”，此段的管道采用透明材质，使光线直接射入管道内的换热器结构材料(具有高吸收系数)上。冷端换热器5的具体结构要视情况而定：若热端的加热温度不是太高，可以通过自然风冷或强制对流风冷(必要时添加一些扩展翅片)的方式；若热端负荷比较大，加热温度较高，则要采用水冷的方式。热声板叠4材料可以用玻璃细管、铜丝网、不锈钢丝网、陶瓷多孔材料等。振荡的发生还需要气体工质，可以直接采用空气，但是如果考虑到热端换热器和板叠材料免受氧化以及振荡频率等因素，亦可采用氮气、二氧化碳等气体。为了形成气柱，并且把气体振荡转化为液柱的振荡，谐振管中灌有一定量的液体。考虑到后续发电部分的需要，该种液体为电解质溶液6。

随着气柱振荡的发生，由于气-液界面并不是刚性的封闭端，液柱就会随之而发生振荡。考虑到热声振荡的幅度大小有限，直接利用该液柱的振荡无法实现很大的振荡幅度和液柱流速。液柱振幅放大管7正是为克服这一问题而设置，盘管的直径约为谐振管直径的1/5以下，在谐振管中幅度较小的振荡经过液柱振幅放大管的“放大”而大大提高液柱的振荡幅度，而且由于谐振管中和液柱振幅放大管中的频率是相同的，因此液柱振幅放大管中液柱的流动速度也相应增大。在系统中还没有发生振荡时，系统中的各处液位如图一所示的A0、B0和C0，其中C0位置比A0和B0要高的原因在于液柱振幅放大管的振幅比较大，因此如果其中的初始液位跟前两者一样的话，在振荡发生后可能会出现最低液位低至液柱振幅放大管的底部而使外部气体倒吸到谐振管中。图三所示为两个典型振荡状态下的液位情况，其中下标1表示谐振管中左边液位处于最低点A1，而右边液位处于最高点B1，进而液柱振幅放大管中的液位也是处于最高点C1；反之，在半个周期后，左边液位处于最高点A2，而右边液位处于最低点B2，进而液柱振幅放大管中的液位则处于最低点C2。其中，C1与C2之间距离远大于A1与A2、B1与B2之间的距离。

最后，利用液柱振幅放大管中周期振荡运动的电解质液柱切割由磁体9所产生的、垂直于液柱运动方向的磁力线，在处于电解质中的两块电极10上产生交流电势差，当它们跟外部负载电路相连接时，就能实现电功率的输出。

最后把系统中的各个部件进行安装与固定，在设计安装方案时，需要考虑到谐振管系统同太阳能收集器的联动关系，以便随时间因太阳照射方向的变化而相应调整系统的位置。

Claims (3)

1.一以太阳能为驱动源的热声发电方法，其特征在于采用以太阳能为驱动源的热致声效应产生气体压力振荡，通过气液耦合转换为电解质液体的液柱周期运动，再利用液柱振幅放大管把小振幅的液柱振荡放大到一个大振幅的液位振荡，提高电解质液柱的速度，最后利用周期振荡运动的电解质液柱切割垂直于液柱运动方向的磁力线，在电极上产生电势差而实现发电。

2.一种以太阳能为驱动源的热声发电系统，其特征在于包括太阳能收集器(1)、热声谐振管(2)、热端换热器(3)、热声板叠(4)、冷端换热器(5)、电解质液体(9)、液柱振幅放大管(7)、发电装置(8)、磁体(9)、电极(10)，热声谐振管(2)为环状管道，热声谐振管环状管道上部设有热声核，热声核依次设有热端换热器(3)、热声板叠(4)、冷端换热器(5)，热声谐振管下部装有电解质液体(6)，热声谐振管环状管道一侧底部与液柱振幅放大管(7)相连接，液柱振幅放大管(7)由放大细盘管和直管段组成，在液柱振幅放大管(7)的直管段上装有发电装置(8)，发电装置(8)包括磁体(9)和电极(10)，热声核的热端换热器(3)相对应处设有太阳能收集器(1)。

3.根据权利要求2一种以太阳能为驱动源的热声发电系统，其特征在于所述的电解质液体(6)为碳酸氢钠、碳酸氢钾或磷酸二氢钠。

Images