CN103352817A - 一种直线型双作用热声发电系统 - Google Patents

Abstract

一种新型直线型双作用热声发电系统，其由依次串接于直线型压缩机与直线型发电机之间且间隔放置的N个热声发动机和N-1个直线型双作用发电机组成；直线型压缩机位于系统起始端，直线型发电机位于系统最未端；直线型压缩机和直线型发电机均为单活塞工作；直线型双作用发电机的两个活塞同时工作；N为2-20的正整数；本系统取消了谐振管结构，极大减小了系统空体积，提高了功率密度；调节热声发动机两端的直线电机的频率特性可实现所需相位；热声发动机产生的声功没有耗散在谐振管，而被直线电机膨胀活塞所吸收，可获得更高的效率；此外，热声发动机的热源可利用太阳能、工业废热或烟气等低品位能源，提高了能源利用率。

Description

一种直线型双作用热声发电系统

技术领域

本发明涉及一种热声发电系统，特别是涉及一种直线型双作用热声发电系统。

背景技术

电能被广泛应用在动力、照明、冶金、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展、国民经济飞跃的主要动力，是不可或缺的二次能源。火力发电和核能发电是我国目前主要的电力来源。但是火力发电不光耗费煤炭和石油等不可再生资源，并且或伴随有大量的污染和废气；核能发电的核废料也会对环境造成较大的影响，并且存在安全隐患。太阳能、潮汐能、水能、风能、地热能、生物质能虽然是可持续发展能源，但由于技术上或地域上的缺陷，目前也难以供应社会需求。随着热声技术的发展，人们意识到可以将热声发动机产生的声波能进一步转换为电能，这将是一种可靠、环保、多元化驱动源的新型发电系统。在适当的匹配下，其效率甚至可以超越现有的发电技术，这在能源危机和环境危机日益严峻的当今具有重要的科学研究价值和良好的市场前景。

热声发动机是一种无运动部件、运行可靠、高效率、无污染的发动机系统，而直线型发电机是一种声电转换装置，由于采用了板弹簧支撑和间隙密封，消除了摩擦损失，在理论上其可以获得极高的声电转换效率，是近年来研究的热点。在热声发电系统中，热声发动机产生的声功驱动直线发电机进而将声功转化成可以利用的电能，能够获得很高的效率。

传统的热声发电机系统中热声发动机都采用了谐振管结构。图1所示为传统的行波型热声发电系统，该系统由热声发动机2和直线型发电机4所组成。所述热声发动机2包括主室温换热器13、回热器14、热端换热器15、热缓冲管16、次室温换热器17以及反馈管9和谐振管10。对所述主室温换热器13和次室温换热器17通冷却水，温度维持在室温范围，对所述热端换热器15加热，随着其温度的升高在所述回热器14两端形成一定的温度梯度，产生热声转换效应，将热量转换为声功沿着温度梯度方向输出。其中一部分声功进入所述反馈管9流回所述主室温换热器13，一部分声功进入所述谐振管10耗散，剩余的声功输入到所述直线型发电机4，直线型发电机将声功转换为电能进行发电。所述直线型发电机4接收由所述热声发动机2输出的声功，进行声电转换对外接负载发电；其组成包括压缩活塞8、与所述压缩活塞8相连的压缩机动子6、固定所述动子6的板弹簧7、绕制于所述动子6外围的定子线圈5，所述直线型发电机4采用对置式结构，能够大幅度的减少装置工作时的震动。

图2所示为传统的驻波型热声发电系统，该系统由热声发动机2和直线型发电机4所组成。所述热声发动机2包括热端换热器15、回热器14、室温换热器13以及热腔9和谐振管10。对所述室温换热器13通冷却水，温度维持在室温范围，对所述热端换热器15加热，随着其温度的升高在所述回热器14两端形成一定的温度梯度，产生热声转换效应，将热量转换为声功沿着温度梯度方向输出。其中一部分声功进入所述谐振管10耗散，剩余的声功输入到所述直线型发电机4，直线型发电机将声功转换为电能进行发电。所述直线型发电机4接收由所述热声发动机2输出的声功，进行声电转换对外接负载发电；其组成包括压缩活塞8、与所述压缩活塞8相连的压缩机动子6、固定所述动子6的板弹簧7、绕制于所述动子6外围的定子线圈5，所述直线发电机4采用对置式结构，能够大幅度的减少装置工作时的震动。

这两种结构的弊端在于，谐振管的体积过于庞大，导致系统功率密度过低，并需要对热端提供很高的温度才能达到一定的压比，同时如此庞大的结构也制约了其进一步实际应用。此外，热声发动机产生的声功只有一部分输入到直线型压缩机中进行利用，而流入谐振管的声功都没有被回收利用而是直接耗散，这对于进一步提高热声发动机性能是不利的。

图3所示为新型的双作用热声发电系统，此系统由三个完全相同的热声发动机2和直线型双作用发电机3首位相连而成，因此热声发动机两端的相位差被锁定在120°。所述热声发动机2包括主室温换热器13、回热器14、热端换热器15、热缓冲管16、次室温换热器17。对所述主室温换热器13和次室温换热器17通冷却水，温度维持在室温范围，对所述热端换热器15加热，随着其温度的升高在所述回热器14两端形成一定的温度梯度，产生热声转换效应，将热量转换为声功沿着温度梯度方向输出。所述直线型双作用发电机3包括膨胀活塞18、板弹簧19、定子线圈20、动子21、板弹簧22、压缩活塞23。所述膨胀活塞18、板弹簧19、板弹簧22和压缩活塞23固定在同一跟轴上。热声发动机2输出的声功完全被膨胀活塞18所吸收，在直线型双作用发电机处进行声电转换，将输入的声功转换为电能对外接负载输出。

此结构的弊端在于，若要实现更大电量的输出，需增加直线电机和热声发动机数量，但热声发动机两端气体体积流率的相位差与所串联到回路中的单元数目息息相关，若数量进一步增多则热声发动机的回热器就不能工作在合适的行波相位，不能够产生较大的声功进行发电和获得较为理想的效率。

直线型双作用热声发电系统的优点在于可以方便的实现热声发动机两端相位的调节，使得热声发动机回热器工作在理想的行波相位，获得理想的工作性能，并在此相位关系下可串联足够多的直线电机和热声发动机达到所需要的发电量。

本文正是基于以上传统热声发电系统和双作用热声发电系统中存在的问题，提出了一种新型的设计，通过对连接于热声发动机两端直线电机频率特性的设定，即对其BL数、内阻、动质量、弹簧刚度以及机械阻尼等参数的调节实现热声发动机两端相位调节，使热声发动机的回热器工作在理想的行波相位，并且没有谐振管等机构造成声功的损耗，极大的提高热声发动机效率和产生的声功，在提升单个热声发动机声功产生量的同时还可以通过在直线型压缩机1和直线型发电机4之间串联多个直线型双作用发电机和热声发动机大幅度提高总发电量。

发明内容

本发明的目的是提出了一种新型的双作用直线型热声发电系统，可极大的提高热声发动机产生的声功及其工作效率从而提高发电量。本发明的优点在于此系统中可通过对连接于热声发动机两端直线电机频率特性的设定，即对其BL数、内阻、动质量、弹簧刚度以及机械阻尼等参数的调节方便的实现热声发动机两端相位调节，使回热器工作在理想的行波相位，同时省略了谐振管等庞大的结构，不仅减少了声功的损耗，极大的提高了热声发动机效率和声功产生量，而且为今后能够更好的实际应用打下了基础。此系统可根据发电量的需求在直线型压缩机1和直线型发电机4之间串联足够数量的直线型双作用发电机和热声发动机实现大发电量的输出。此外，热声发动机的热源可利用太阳能和工业废热烟气等低品位能源，提高能源的利用率。

本发明有二个技术方案，本发明技术方案一如下：

本发明提供的直线型双作用热声发电系统，其组成如下：

依次串接于直线型压缩机1与直线型发电机4之间且间隔放置的N个热声发动机和N-1个直线型双作用发电机；所述直线型压缩机1位于所述直线型双作用热声发电系统的起始端，所述直线型发电机4位于所述直线型双作用热声发电系统的最未端；所述直线型压缩机1和直线型发电机4分别为单活塞工作的直线型压缩机和单活塞工作的直线型发电机；所述N-1个直线型双作用发电机的每一个直线型双作用发电机均为两个活塞同时工作的直线型双作用发电机；N为2-20的正整数；

所述直线型压缩机1由第一压缩活塞8、与第一压缩活塞8的活塞轴相连的压缩机动子6、固定所述压缩机动子6的第一板弹簧7和绕制于所述压缩机动子6外围的压缩机定子线圈5组成；所述直线型压缩机1将外界电源输入的电能转化为声功，之后将声功输入给所述N个热声发动机的第一个热声发动机；

所述N个热声发动机中的每一个热声发动机由依次串接的主室温换热器13、回热器14、热端换热器15、热缓冲管16和次室温换热器17组成；

所述N-1个直线型双作用发电机中的每一直线型双作用发电机均由分别固定于一活塞轴两端的第一膨胀活塞18和第二压缩活塞23、与所述活塞轴相连的双作用发电机动子21、固定于所述双作用发电机动子21两侧活塞轴上的第二板弹簧19及第三板弹簧22、和绕制于所述双作用发电机动子21外围的双作用发电机定子线圈20组成；

所述直线型发电机4由第二膨胀活塞9、与所述第二膨胀活塞9的活塞轴相连的发电机动子11、固定所述发电机动子11的第四板弹簧10和绕制于所述发电机动子11外围的发电机定子线圈12组成；所述第二膨胀活塞9吸收来自所述N个热声发动机中的第N个热声发动机的声功，在直线型发电机4处将声功转换为电能输出给外接负载；

所述直线型压缩机1的第一压缩活塞8与直线型发电机4的第二膨胀活塞9相对放置；

对所述直线型压缩机1输入交流电；对所述N个热声发动机中的每一个热声发动机的热端换热器15加热；所述N个热声发动机中的每一个热声发动机的主室温换热器13和次室温换热器17均通冷却水使其保持在室温范围；

位于所述直线型双作用热声发电系统起始端的直线型压缩机1的第一压缩活塞8与所述N个热声发动机中的第一个热声发动机器的主室温换热器13相连；第一个热声发动机的次室温换热器17与所述N-1个直线型双作用发电机中的第一个直线型双作用发电机的第一膨胀活塞18相连；第一个直线型双作用发电机的第二压缩活塞23与所述N个热声发动机中的第二个热声发动机的主室温换热器13相连；第二个热声发动机的次室温换热器17与所述N-1个直线型双作用发电机中的第二个直线型双作用发电机的第一膨胀活塞18相连；第二个直线型双作用发电机的第二压缩活塞23再与所述N个热声发动机中的第三个热声发动机的主室温换热器13相连；

以此类推，热声发动机与直线型双作用发电机交替相互串联，所述N个热声发动机中的第N个热声发动机的主室温换热器13与所述N-1个直线型双作用发电机中的第N-1个直线型双作用发电机的第二压缩活塞23相连，第N个热声发动机的次室温换热器17与所述直线型发电机4的第二膨胀活塞9相连；

所述N-1个直线型双作用发电机的每一直线型双作用发电机均有两个活塞同时工作，一个为第一膨胀活塞18吸收上一个热声发动机产生的声功，在该直线型双作用发电机处将声功转换为电能对外接负载输出进行发电；一个为第二压缩活塞23将声功输入到下一个热声发动机。

工作于所述直线型双作用热声发电系统起始端的直线型压缩机1和最末端的直线型发电机4均为单方向作用的直线电机；所述直线型双作用热声发电系统中的直线型双作用发电机均为同时具有压缩活塞和膨胀活塞且两个活塞同时工作的双作用电机；通入交流电的直线型压缩机1将电能转换为声功输入其后热声发动机；加热的热声发动机2的热端换热器15利用热声效应产生声功；所述的直线型双作用发电机3和直线型发电机4均将热声发动机产生的声功转换为电能对外接负载输出。

将连接于N个热声发动机中的第一个热声发动机两端的直线型压缩机1和直线型双作用发电机3，连接于N个热声发动机中最后一个热声发动机两端的双作用直线型发电机3和直线型发电机4，以及连接于N个热声发动机中的其余热声发动机两端的双作用直线型发电机3均称为直线电机；通过同时对连接于每个热声发动机两端的直线电机的频率特性进行设定：对直线电机的BL数、内阻、动质量、第一板弹簧、第二板弹簧和第三板弹簧刚度以及机械阻尼的调节，实现对热声发动机两端相位的调节，使得热声发动机工作在60°～150°的行波相位，其中BL数的概念是，B为直线电机内的磁场强度，L为电机线圈在磁场内的长度，BL数为两者的乘积。

对热声发动机的热端换热器进行加热的热源可采用太阳能热源、高温工业废热热源或高温工业烟气热源。

本发明技术方案二如下：

本发明提供的直线型双作用热声发电系统，其组成如下：

依次串接于直线型压缩机1与直线型发电机4之间且间隔放置的N个热声发动机和N-1个直线型双作用发电机；所述直线型压缩机1位于所述直线型双作用热声发电系统的起始端，所述直线型发电机4位于所述直线型双作用热声发电系统的最未端；所述直线型压缩机1和直线型发电机4分别为单活塞工作的直线型压缩机和单活塞工作的直线型发电机；所述N-1个直线型双作用发电机的每一个直线型双作用发电机均为两个活塞同时工作的直线型双作用发电机；N为2-20的正整数；

所述直线型压缩机1由第一压缩活塞8、与第一压缩活塞8的活塞轴相连的压缩机动子6、固定所述压缩机动子6的第一板弹簧7和绕制于所述压缩机动子6外围的压缩机定子线圈5组成；所述直线型压缩机1将外界电源输入的电能转化为声功，之后将声功输入给所述N个热声发动机的第一个热声发动机；

所述N个热声发动机中的每一个热声发动机由依次串接的主室温换热器13、回热器14和热端换热器15组成；

所述N-1个直线型双作用发电机中的每一直线型双作用发电机均由分别固定于一活塞轴两端的第一膨胀活塞18和第二压缩活塞23、与所述活塞轴相连的双作用发电机动子21、固定于所述双作用发电机动子21两侧活塞轴上的第二板弹簧19及第三板弹簧22、和绕制于所述双作用发电机动子21外围的双作用发电机定子线圈20组成；

所述直线型发电机4由第二膨胀活塞9、与所述第二膨胀活塞9的活塞轴相连的发电机动子11、固定所述发电机动子11的第四板弹簧10和绕制于所述发电机动子11外围的发电机定子线圈12组成；所述第二膨胀活塞9吸收来自所述N个热声发动机中的第N个热声发动机的声功，在直线型发电机4处将声功转换为电能输出给外接负载；

所述直线型压缩机1的第一压缩活塞8与直线型发电机4的第二膨胀活塞9相对放置；

对所述直线型压缩机1输入交流电；对所述N个热声发动机中的每一个热声发动机的热端换热器15加热；所述N个热声发动机中的每一个热声发动机的主室温换热器13和次室温换热器17均通冷却水使其保持在室温范围；

位于所述直线型双作用热声发电系统起始端的直线型压缩机1的第一压缩活塞8与所述N个热声发动机中的第一个热声发动机器的主室温换热器13相连；第一个热声发动机的热端换热器15与所述N-1个直线型双作用发电机中的第一个直线型双作用发电机的第一膨胀活塞18相连；第一个直线型双作用发电机的第二压缩活塞23与所述N个热声发动机中的第二个热声发动机的主室温换热器13相连；第二个热声发动机的热端换热器15与所述N-1个直线型双作用发电机中的第二个直线型双作用发电机的第一膨胀活塞18相连；第二个直线型双作用发电机的第二压缩活塞23再与所述N个热声发动机中的第三个热声发动机的主室温换热器13相连；

以此类推，热声发动机与直线型双作用发电机交替相互串联，所述N个热声发动机中的第N个热声发动机的主室温换热器13与所述N-1个直线型双作用发电机中的第N-1个直线型双作用发电机的第二压缩活塞23相连，第N个热声发动机的热端换热器15与所述直线型发电机4的第二膨胀活塞9相连；

所述N-1个直线型双作用发电机的每一直线型双作用发电机均有两个活塞同时工作，一个为第一膨胀活塞18吸收上一个热声发动机产生的声功，在该直线型双作用发电机处将声功转换为电能对外接负载输出进行发电；一个为第二压缩活塞23将声功输入到下一个热声发动机。

工作于所述直线型双作用热声发电系统起始端的直线型压缩机1和最末端的直线型发电机4均为单方向作用的直线电机；所述直线型双作用热声发电系统中的直线型双作用发电机均为同时具有压缩活塞和膨胀活塞且两个活塞同时工作的双作用电机；通入交流电的直线型压缩机1将电能转换为声功输入其后热声发动机；加热的热声发动机2的热端换热器15利用热声效应产生声功；所述的直线型双作用发电机3和直线型发电机4均将热声发动机产生的声功转换为电能对外接负载输出。

将连接于N个热声发动机中的第一个热声发动机两端的直线型压缩机1和直线型双作用发电机3，连接于N个热声发动机中最后一个热声发动机两端的双作用直线型发电机3和直线型发电机4，以及连接于N个热声发动机中的其余热声发动机两端的双作用直线型发电机3均称为直线电机；通过同时对连接于每个热声发动机两端的直线电机的频率特性进行设定：对直线电机的BL数、内阻、动质量、第一板弹簧、第二板弹簧和第三板弹簧刚度以及机械阻尼的调节，实现对热声发动机两端相位的调节，使得热声发动机工作在60°～150°的行波相位，其中BL数的概念是，B为直线电机内的磁场强度，L为电机线圈在磁场内的长度，BL数为两者的乘积。

对热声发动机的热端换热器进行加热的热源可采用太阳能热源、高温工业废热热源或高温工业烟气热源。

本发明关键是通过改变直线电机（是指：直线型压缩机、直线型双作用发电机和直线型发电机）的频率特性来调节热声发动机内体积流率的相位，声场调节的原理简要说明如下：

根据热声学理论，任一热声部件端面的压力波动与体积流率均可以通过该端面后方的所有热声部件自身的声学特性来确定，这里说的后方指的是沿着声功流方向。以图4结构为例，图4中声功流从直线型压缩机1流向直线型发电机4。假设直线型压缩机1第一压缩活塞处的压力波动和体积流率分别为P₁和U₁；直线型双作用发电机3第一膨胀活塞和第二压缩活塞处压力波动和体积流率分别为P_3-1、U_3-1和P_3-2、U_3-2；直线型发电机4第二膨胀活塞处的压力波动和体积流率分别为P₄和U₄。系统中每个热声发动机的参数保持相同，通过调节各个直线电机的频率特性，即对直线电机BL数、内阻、动质量、弹簧刚度以及机械阻尼等参数调节使得各个直线电机压缩活塞和膨胀活塞处的状态参量分别相同，即P₁＝P_3-2，U₁＝U_3-2；P₄＝P_3-1，U₄＝U_3-1，这样可使得每个热声发动机工作在相同的状态。

假设热声发动机主室温换热器13、回热器14、热端换热器15、热缓冲管16、次室温端换热器17的传输矩阵分别为Z₁₃、Z₁₄、Z₁₅、Z₁₆及Z₁₇，再此略去了对连接管段的描述。传输矩阵为2×2的矩阵，并且传输矩阵在固定的运行参数与结构参数下均为常数。从最后一个热声发动机着手分析，根据热声学方法可知该热声发动机回热器左端的压力波动与体积流量的表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{p}_{14-1}\\ U_{14-1}\end{array}\right]=\left[Z_{14}\right]\left[Z_{15}\right]\left[Z_{16}\right]\left[Z_{17}\right]\left[\begin{array}{c}{p}_4\\ U_4\end{array}\right]$

回热器右端的压力波动与体积流量的表达式为

$\left[\begin{array}{c}{p}_{14-2}\\ U_{14-2}\end{array}\right]=\left[Z_{15}\right]\left[Z_{16}\right]\left[Z_{17}\right]\left[\begin{array}{c}{p}_4\\ U_4\end{array}\right]$

根据直线电机的控制方程可得直线型发电机4入口压力波动P₄与体积流量U₄间的关系，其决定于直线型发电机4的频率特性，即：

$\frac{p_4}{U_4}=\frac{1}{A^2}[R_m-i(\mathrm{\ωM}-\frac{K}{\mathrm{\ω}})+\frac{{\mathrm{\τ}}^2}{R+r+\mathrm{i\ωL}}]$

其中：A为直线型发电机4活塞截面积，R_m为等效机械阻尼，L为直线发电机4线圈电感，r、R分别为电机内阻和可调负载外阻的阻值，M为电机动质量，K为包含电机固有刚度系数以及气体弹簧刚度系数的等效刚度系数，ω为系统运行的角频率，τ为机电常数，i为虚部单位。

通过上述表达式容易看出，在热声发动机参数确定后，即设计好系统单台热声发动机所能产生声功容量后，热声发动机回热器14两端压力波动与体积流量完全由直线型发电机4的频率特性决定，即发动机回热器两端的相位关系只与直线型发电机4的频率特性有关；事实上，本发明中调节直线型发电机4的阻抗对回热器两端压力波动相位影响较小，通常10°以内范围变化，而体积流量的相位却可以在-180°到180°范围内变化。通过对直线型发电机4频率特性的调节，即对活塞截面积A、机械阻尼Rm、内阻r、机电常数τ、动质量M或等效刚度系数K等电机固有参数，以及系统运行频率ω等运行参数和外接负载R的调节来改变直线型发电机4的阻抗从而达到热声发动机回热器两端所需相位以及热声发动机所需工作状态的目的。由确定出的P₄和U₄以及上述传输矩阵可以计算出P_3-2和U_3-2，又由于P₁＝P_3-2，U₁＝U_3-2；P₄＝P_3-1，U₄＝U_3-1，这样就可以通过计算出的状态参量确定出直线型压缩机1和直线型双作用发电机3的频率特性。

由以上可知，本发明的主要创新点在于通过直线电机（直线型压缩机1、直线型双作用发电机3和直线型发电机4）频率特性的设定，即对直线电机BL数、内阻、动质量、弹簧刚度以及机械阻尼等参数的调节可实现热声发动机两端相位的调节，达到所需的工作相位和工作状态，与传统热声发电机相比，可以实现体积流率相位的大幅调节，同时也提高了调节的便利性。

对于串联更多热声发动机和双作用直线型发电机的系统，如图8所示，只需要在图4结构的基础上串联上具有相同结构参数的热声发动机和相同频率特性的双作用直线型发电机结构即可满足在相同的工况下实现更大总发电量的输出。

热声发动机2的热源可采用太阳能热源和高温工业废热热源或高温工业烟气热源。

N为根据电量需求所需的热声发动机的数量，N-1为双作用直线型发电机数量，要构成本发明的直线型双作用热声发电系统，N必须大于2；实际应用中N也不能为无穷大，设计每一个直线型发电机的发电量在万瓦级别，达到兆瓦级直线型双作用热声发电系统则需求N小于二十即可。

本发明中的热声发动机又可称之为热声转化器；本发明的直线型双作用热声发电系统可根据发电量的需求在系统中通过在直线型压缩机1和直线型发电机4之间串联所需数量的直线型双作用发电机和热声发动机。

声功由所述主室温换热器13流入，所述主室温换热器13和所述次室温换热器17均通冷却水，使其保持在室温范围，对所述热端换热器15进行加热，随着温度的升高在所述回热器14两端形成一定的温度梯度，进行热声转换产生声功输入其后的直线型发电机进行发电。

本发明的直线型双作用发电机有两个活塞同时工作，一个作为膨胀活塞吸收上一个热声发动机产生的声功，所述直线型双作用发电机将声功转化为电能对外接负载进行发电；一个作为压缩活塞将声功输入到下一个热声发动机。

直线型发电机4工作在系统的最末端，其由上一热声发动机产生的声功被所述第二膨胀活塞9吸收，直线型发电机4将所吸收的声功转换为电能对外接负载输出。

本发明主要创新点在于：

取消了传统行波型热声发电机和驻波型热声发电机的谐振管结构，不仅减少了空体积，使得系统结构更为紧凑，而且提高了能量密度和系统压比；也解决了双作用发电系统中直线电机和热声发动机数量进一步增多时的相位问题；通过对连接于热声发动机两端的直线电机频率特性的设定，即对直线型压缩机BL数、内阻、动质量、弹簧刚度以及机械阻尼等参数的调节可实现热声发动机两端相位的调节，使热声发动机的回热器工作在理想的行波相位，并且没有谐振管等机构造成声功损耗，极大的提高了热声发动机效率和产生的声功，在提升单个热声发动机声功产生量的同时还可以通过在直线型压缩机和直线型发电机之间串联多个直线型双作用发电机和热声发动机大幅度提高系统总发电量；此外，热声发动机的热源可利用太阳能和工业废热烟气等低品位能源，提高能源的利用率。

附图说明

图1为传统的行波型热声发电系统结构示意图；

图2为传统的驻波型热声发电系统结构示意图；

图3为环路型双作用热声发电系统结构示意图；

图4为本发明一种新型的直线型双作用热声发电系统（实施例1）结构示意图；

图5为本发明一种新型的直线型双作用斯特林发电系统（实施例2）结构示意图；

图6为本发明一种新型的直线型双作用热声发电系统（实施例3）结构示意图；

图7为本发明一种新型的直线型双作用斯特林发电系统（实施例4）结构示意图；

图8为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明取消了传统行波型热声发电机和驻波型热声发电机谐振管结构，在减少了空体积，使得系统结构更为紧凑；也解决了双作用发电系统中直线电机和热声发动机数量进一步增多时的相位问题，更为方便投入实用的同时也极大的提高了功率密度和系统压比；通过对连接于热声发动机两端的直线电机频率特性的设定，即对直线型压缩机BL数、内阻、动质量、弹簧刚度以及机械阻尼等参数的调节可对热声发动机两端相位进行调节，使热声发动机回热器工作在理想的行波相位，并且声功不再会消耗在谐振管等机构内，除了必要的损耗外完全被直线型压缩机的膨胀活塞所吸收，因此能够极大的提高热声发动机的效率和产生的声功。在提升单个热声发动机声功产生量的同时还可以通过在直线型压缩机1和直线型发电机4之间串联多个直线型双作用发电机和热声发动机大幅度提高系统总发电量。此外，热声发动机热端能够使用太阳能、工业废热烟气等低品位能源，提升了能源利用率，具有良好的应用前景。

实施例1：

图4为本发明的一种直线型双作用热声发电系统（实施例1）结构示意图。如图4所示，本实施例1的直线型双作用热声发电系统由依次串接于直线型压缩机1和直线型发电机4之间的第一个热声发动机（亦称第一个热声转化器）2-1、直线型双作用发电机3和第二个热声发动机（亦称第二个热声转换器）2-2组成；

所述直线型压缩机1位于系统的起始端，其由第一压缩活塞8、与所述第一压缩活塞8相连的压缩机动子6、固定所述压缩机动子6的第一板弹簧7和绕制于所述压缩机动子6外围的压缩机定子线圈5组成；

所述第一个热声发动机2-1和第二个热声发动机2-2均由依次串接的主室温换热器13、回热器14、热端换热器15、热缓冲管16和次室温换热器17组成；

所述直线型双作用发电机3由分别固定于一活塞轴两端的第一膨胀活塞18和第二压缩活塞23、与所述活塞轴相连的双作用发电机动子21、固定于所述双作用发电机动子21两侧的第二板弹簧19及第三板弹簧22、和绕制于所述双作用发电机动子21外围的双作用发电机定子线圈20组成；

所述直线型发电机4由第二膨胀活塞9、与所述第二膨胀活塞9的活塞轴相连的发电机动子11、固定所述发电机动子11的第四板弹簧10和绕制于所述发电机动子11外围的发电机定子线圈12组成；所述第二膨胀活塞9吸收来自第二个热声发动机2-2的声功，并在所述直线型发电机4内进行声电转换，之后将电能输出给负载；

本实施例1中，工作在系统起始端的直线型压缩机1输入交流电，直线型压缩机1将电能转化成声功并通过第一压缩活塞8输入给第一个热声发动机2-1；对第一个热声发动机2-1的热端换热器15加热，主室温换热器13和次室温换热器17均通冷却水使其保持在室温范围，随着热端换热器15温度的升高，在回热器14两端形成一定的温度梯度，在热端回热器15处产生热声效应，将热量转化为声功沿着温度梯度方向输出；声功输入到直线型双作用发电机3的第一膨胀活塞18，除了必要的损耗外，完全被该第一膨胀活塞18所吸收，在直线型双作用发电机3中进行声电转化，将声功转换为电能，通过外接负载的形式输出；直线型双作用发电机3的第二压缩活塞23将剩余的声功输入到第二个热声发动机2-2，重复上述循环；其中直线型双作用发电机3的一个活塞起到压缩活塞的作用，另一个活塞起到膨胀活塞的作用，两个活塞同时工作；位于系统末端的直线型发电机4同样是利用上一个热声发动机2-2产生的声功进行发电；通过直线型压缩机1、直线型双作用发电机3以及直线型发电机4频率特性的设定，即对其BL数、内阻Re、动质量M、板弹簧刚度K以及机械阻尼Rm等参数的调节将第一个热声发动机2-1和第二个热声发动机2-2两端气体体积流率相位差均调为120°左右，并且使得两个热声发动机工作在相同的条件。调节相位的方法如发明内容中里所述，从最后一个热声发动机2-2着手分析，在热声发动机尺寸确定的情况下，首先调节直线型发电机4的频率特性，使得热声发动机2-2中U_13-1-U_17-2＝120°，其中U_13-1为热声发动机2-2主室温换热器13左端的体积流量，U_17-2为热声发动机2-2次室温换热器17右端的体积流量。然后根据确定出来的状态参量计算出直线型双作用发电机和直线型压缩机机的频率特性。

若是设计不同发电量的发电系统，对热声发动机尺寸参数要求不同，当热声发动机尺寸改变时，其两端工作的相位也可做相应的调整，通过直线型压缩机1、直线型双作用发电机3以及直线型发电机4频率特性的设定，即对其BL数、内阻Re、动质量M、板弹簧刚度K以及机械阻尼Rm等参数的调节将第一个热声发动机2-1和第二个热声发动机2-2两端气体体积流率相位差均调为60°或150°左右也能够使得热声发动机工作在较为理想的行波相位，调节方法如上所述。

通过对直线发电机频率特性的调节，使得两个热声发动机的回热器均工作在较为理想的行波相位，能够产生较大的声功和获得较高的效率。

实施例2：

图5为本发明一种直线型双作用斯特林发电系统（实施例2）结构示意图。如图5所示，本实施例2的直线型双作用斯特林发电系统由依次串接于直线型压缩机1和直线型发电机4之间的直线型压缩机1、第一个斯特林发动机2-1、直线型双作用发电机3、第二个斯特林发动机2-2和直线型发电机4组成。

直线型压缩机1工作在系统的起始端，直线型发电机4工作在系统的最末端；本实施例的直线型压缩机1与实施例1的直线型压缩机1结构相同；本实施例的直线型发电机4与直线型双作用发电机3与实施例1中略有不同，不同之处在于为了避免直线电机直接工作在高温侧影响工作寿命，将直线型发电机4与直线型双作用发电机3的膨胀活塞设计为图5结构，并且在活塞上设计有辐射屏，此膨胀活塞工作在高温侧，或被称之为排出器；本实施例的第一直线型斯特林发动机2-1和第二斯特林发动机2-2均由依次串接的主室温换热器13、回热器14和热端换热器15组成；

本实施例工作原理和实施例1中类似，在实施例1的基础上将热声发动机的热缓冲管和次室温换热器去掉，并且将膨胀活塞的结构形式改为如图5所示的结构，活塞采用间隙密封，且在活塞上还加有辐射屏，这样不仅可以有效的将热声发动机热端与直线电机相隔离，使得直线电机不直接工作在高温侧，影响受用寿命，并且用膨胀活塞代替了之前的热缓冲管结构，消除了热缓冲管中气流的不稳定性；使斯特林发动机2-1和特林发动机2-2的热端换热器15分别直接与直线型双作用发电机3和直线型发电机4的膨胀活塞相连接，取消了热缓冲管进一步减小了空体积，能够获得更高的功率密度和更高效率，因而能够产生更多的发电量。但与此同时，高温活塞的引入使得系统结构更为复杂，密封更加困难，系统的震动也会相应的增加。

实施例3：

图6为本发明一种新型的直线型双作用热声发电机系统（实施例3）结构示意图。如图6所示，本实施例3的直线型双作用热声发电系统由依次串接于直线型压缩机1和直线型发电机4之间的第一个热声发动机2-1、第一个直线型双作用发电机3-1和第二个热声发动机2-2、第二个直线型双作用发电机3-2以及第三个热声发动机2-3组成。

直线型压缩机1工作在系统的起始端，直线型发电机4工作在系统的最末端；本实施例的直线型压缩机1与实施例1的直线型压缩机1结构相同；本实施例的直线型发电机4与实施例1的直线型发电机4结构相同；

本实施例的第一热声发动机2-1、第二热声发动机2-2和第三热声发动机2-3均由依次串接的主室温换热器13、回热器14、热端换热器15、热缓冲管16和次室温换热器17组成；本实施例的第一直线型双作用发电机3-1和第二直线型双作用发电机3-2均由分别固定于一活塞轴两端的第一膨胀活塞18和第二压缩活塞23、与所述活塞轴相连的双作用发电机动子21、固定于所述双作用发电机动子21两侧的第二板弹簧19及第三板弹簧22、和绕制于所述双作用发电机动子21外围的双作用发电机定子线圈20组成；

本实施例是在实施例1基础上增加了一个热声发动机，即第三热声发动机2-3和一个直线型双作用发电机，即第二直线型双作用发电机3-2，工作原理和实施例1中类似。但是为了使系统工作时震动最小，通过对连接于热声发动机两端的直线电机频率特性的设定，即对其BL数、内阻、动质量、弹簧刚度以及机械阻尼等参数的调节分别将热声发动机2-1、2-2和2-3两端气体体积流率相位调为90°左右，并且使得三个热声发动机工作在相同的条件；在90°相位下，热声发动机中的回热器亦能工作在较为理想的行波相位，能够产生较大的声功和获得较高的效率；并且，由于系统结构的对称性，在此相位和此相应匹配的热声发动机和直线压缩机数目下，气体的震动可以互相抵消，实现所能达到的最小的系统震动。由于系统的对称性在系统中串联特定数量的直线电机和热声发动机可以实现系统工作时的最小震动，比如继续增加到7个热声发动机和8个直线电机依次串联时的情况。

实施例4：

图7为本发明一种新型的直线型双作用斯特林发电系统（实施例4）结构示意图。如图7所示，实施例4的直线型双作用斯特林发电系统由依次串接于直线型压缩机1和直线型发电机4之间的第一个斯特林发动机2-1、第一个直线型双作用发电机3-1和第二个斯特林发动机2-2、第二个直线型双作用发电机3-2以及第三个斯特林发动机2-3组成。

所述直线型压缩机1工作在系统的起始端，其结构同时实例2中的直线型压缩机1的结构；所述第一、第二和第三斯特林发动机2-1，2-2和2-3均由依次串接的主室温换热器13、回热器14和热端换热器15组成；所述第一和第二直线型双作用发电机3-1和3-2和直线型发电机4均分别与实例2中的直线型双作用发电机3和直线型发电机4的结构相同；

本实施例在直线型压缩机1和直线型发电机4之间依次串联3个斯特林发动机和2个直线型双作用发电机；

本实施例是在实施例2基础上增加了一个斯特林发动机，即第三斯特林发动机2-3和一个直线型双作用发电机，即第二直线型双作用发电机3-2，工作原理和实施例2中类似。但是为了使系统工作时震动最小，通过对连接于斯特林发动机两端的直线电机频率特性的设定，即对其BL数、内阻、动质量、弹簧刚度以及机械阻尼等参数的调节分别将斯特林发动机2-1、2-2和2-3两端气体体积流率相位调为90°左右，并且使得三个斯特林发动机工作在相同的条件；在90°相位下，斯特林发动机中的回热器亦能工作在较为理想的行波相位，能够产生较大的声功和获得较高的效率；并且，由于系统结构的对称性，在此相位和此相应匹配的斯特林发动机和直线压缩机数目下，气体的震动可以互相抵消，实现所能达到的最小的系统震动。由于系统的对称性在系统中串联特定数量的直线电机和斯特林发动机可以实现系统工作时的最小震动，比如继续增加到11个斯特林发动机和12个直线电机依次串联时的情况。

Claims (8)

1.一种直线型双作用热声发电系统，其特征在于，其组成如下：

依次串接于直线型压缩机（1）与直线型发电机（4）之间且间隔放置的N个热声发动机（2）和N-1个直线型双作用发电机（3）；所述直线型压缩机（1）位于所述直线型双作用热声发电系统的起始端，所述直线型发电机（4）位于所述直线型双作用热声发电系统的最未端；所述直线型压缩机（1）和直线型发电机（4）分别为单活塞工作的直线型压缩机和单活塞工作的直线型发电机；所述N-1个直线型双作用发电机（3）的每一个直线型双作用发电机均为两个活塞同时工作的直线型双作用发电机；N为2-20的正整数；

所述直线型压缩机（1）由第一压缩活塞（8）、与第一压缩活塞（8）的活塞轴相连的压缩机动子（6）、固定所述压缩机动子（6）的第一板弹簧（7）和绕制于所述压缩机动子（6）外围的压缩机定子线圈（5）组成；所述直线型压缩机（1）将外界电源输入的电能转化为声功，之后将声功输入给所述N个热声发动机的第一个热声发动机；

所述N个热声发动机（2）中的每一个热声发动机由依次串接的主室温换热器（13）、回热器（14）、热端换热器（15）、热缓冲管（16）和次室温换热器（17）组成；

所述N-1个直线型双作用发电机（3）中的每一直线型双作用发电机均由分别固定于一活塞轴两端的第一膨胀活塞（18）和第二压缩活塞（23）、与所述活塞轴相连的双作用发电机动子（21）、固定于所述双作用发电机动子（21）两侧活塞轴上的第二板弹簧（19）及第三板弹簧（22）、和绕制于所述双作用发电机动子（21）外围的双作用发电机定子线圈（20）组成；

所述直线型发电机（4）由第二膨胀活塞（9）、与所述第二膨胀活塞（9）的活塞轴相连的发电机动子（11）、固定所述发电机动子（11）的第四板弹簧（10）和绕制于所述发电机动子（11）外围的发电机定子线圈（12）组成；所述第二膨胀活塞（9）吸收来自所述N个热声发动机（2）中的第N个热声发动机的声功，在直线型发电机（4）处将声功转换为电能输出给外接负载；

所述直线型压缩机（1）的第一压缩活塞（8）与直线型发电机（4）的第二膨胀活塞（9）相对放置；

对所述直线型压缩机（1）输入交流电；对所述N个热声发动机（2）中的每一个热声发动机的热端换热器（15）加热；所述N个热声发动机（2）中的每一个热声发动机的主室温换热器（13）和次室温换热器（17）均通冷却水使其保持在室温范围；

位于所述直线型双作用热声发电系统起始端的直线型压缩机1的第一压缩活塞（8）与所述N个热声发动机（2）中的第一个热声发动机器的主室温换热器（13）相连；第一个热声发动机的次室温换热器（17）与所述N-1个直线型双作用发电机（3）中的第一个直线型双作用发电机的第一膨胀活塞（18）相连；第一个直线型双作用发电机的第二压缩活塞（23）与所述N个热声发动机（2）中的第二个热声发动机的主室温换热器（13）相连；第二个热声发动机的次室温换热器（17）与所述N-1个直线型双作用发电机（3）中的第二个直线型双作用发电机的第一膨胀活塞（18）相连；第二个直线型双作用发电机的第二压缩活塞（23）再与所述N个热声发动机（2）中的第三个热声发动机的主室温换热器（13）相连；

以此类推，热声发动机与直线型双作用发电机交替相互串联，所述N个热声发动机（2）中的第N个热声发动机的主室温换热器（13）与所述N-1个直线型双作用发电机（3）中的第N-1个直线型双作用发电机的第二压缩活塞（23）相连，第N个热声发动机的次室温换热器（17）与所述直线型发电机（4）的第二膨胀活塞（9）相连；

所述N-1个直线型双作用发电机（3）的每一直线型双作用发电机均有两个活塞同时工作，一个为第一膨胀活塞（18）吸收上一个热声发动机产生的声功，在该直线型双作用发电机处将声功转换为电能对外接负载输出进行发电；另一个为第二压缩活塞（23）将声功输入到下一个热声发动机。

2.按权利要求书1所述的直线型双作用热声发电系统，其特征在于，工作于所述直线型双作用热声发电系统起始端的直线型压缩机（1）和最末端的直线型发电机（4）均为单方向作用的直线电机；所述直线型双作用热声发电系统中的直线型双作用发电机均为同时具有压缩活塞和膨胀活塞且两个活塞同时工作的双作用电机；通入交流电的直线型压缩机（1）将电能转换为声功输入其后热声发动机；加热的热声发动机的热端换热器（15）利用热声效应产生声功；所述的直线型双作用发电机和直线型发电机（4）均将热声发动机产生的声功转换为电能对外接负载输出。

3.按权利要求书1所述的直线型双作用热声发电系统，其特征在于，将连接于N个热声发动机（2）中的第一个热声发动机两端的直线型压缩机（1）和直线型双作用发电机，连接于N个热声发动机（2）中最后一个热声发动机两端的双作用直线型发电机和直线型发电机（4），以及连接于N个热声发动机（2）中的其余热声发动机两端的双作用直线型发电机均称为直线电机；通过同时对连接于每个热声发动机两端的直线电机的频率特性进行设定：对直线电机的BL数、内阻、动质量、第一板弹簧、第二板弹簧和第三板弹簧刚度以及机械阻尼的调节，实现对热声发动机两端相位的调节，使得热声发动机工作在60°～150°的行波相位，其中BL数的概念是，B为直线电机内的磁场强度，L为电机线圈在磁场内的长度，BL数为两者的乘积。

4.按权利要求书1所述的直线型双作用热声发电系统，其特征在于，对热声发动机的热端换热器进行加热的热源采用太阳能热源、高温工业废热热源或高温工业烟气热源。

5.一种直线型双作用热声发电系统，其特征在于，其组成如下：

依次串接于直线型压缩机（1）与直线型发电机（4）之间且间隔放置的N个热声发动机（2）和N-1个直线型双作用发电机（3）；所述直线型压缩机（1）位于所述直线型双作用热声发电系统的起始端，所述直线型发电机（4）位于所述直线型双作用热声发电系统的最未端；所述直线型压缩机（1）和直线型发电机（4）分别为单活塞工作的直线型压缩机和单活塞工作的直线型发电机；所述N-1个直线型双作用发电机（3）的每一个直线型双作用发电机均为两个活塞同时工作的直线型双作用发电机；N为2-20的正整数；

所述直线型压缩机（1）由第一压缩活塞（8）、与第一压缩活塞（8）的活塞轴相连的压缩机动子（6）、固定所述压缩机动子（6）的第一板弹簧（7）和绕制于所述压缩机动子（6）外围的压缩机定子线圈（5）组成；所述直线型压缩机（1）将外界电源输入的电能转化为声功，之后将声功输入给所述N个热声发动机的第一个热声发动机；

所述N个热声发动机（2）中的每一个热声发动机由依次串接的主室温换热器（13）、回热器（14）和热端换热器（15）组成；

所述N-1个直线型双作用发电机（3）中的每一直线型双作用发电机均由分别固定于一活塞轴两端的第一膨胀活塞（18）和第二压缩活塞（23）、与所述活塞轴相连的双作用发电机动子（21）、固定于所述双作用发电机动子（21）两侧活塞轴上的第二板弹簧（19）及第三板弹簧（22）、和绕制于所述双作用发电机动子（21）外围的双作用发电机定子线圈（20）组成；

所述直线型发电机（4）由第二膨胀活塞（9）、与所述第二膨胀活塞（9）的活塞轴相连的发电机动子（11）、固定所述发电机动子（11）的第四板弹簧（10）和绕制于所述发电机动子（11）外围的发电机定子线圈（12）组成；所述第二膨胀活塞（9）吸收来自所述N个热声发动机（2）中的第N个热声发动机的声功，在直线型发电机（4）处将声功转换为电能输出给外接负载；

所述直线型压缩机（1）的第一压缩活塞（8）与直线型发电机（4）的第二膨胀活塞（9）相对放置；

对所述直线型压缩机（1）输入交流电；对所述N个热声发动机（2）中的每一个热声发动机的热端换热器（15）加热；所述N个热声发动机（2）中的每一个热声发动机的主室温换热器（13）和次室温换热器（17）均通冷却水使其保持在室温范围；

位于所述直线型双作用热声发电系统起始端的直线型压缩机（1）的第一压缩活塞（8）与所述N个热声发动机（2）中的第一个热声发动机器的主室温换热器（13）相连；第一个热声发动机的热端换热器（15）与所述N-1个直线型双作用发电机（3）中的第一个直线型双作用发电机的第一膨胀活塞（18）相连；第一个直线型双作用发电机的第二压缩活塞（23）与所述N个热声发动机（2）中的第二个热声发动机的主室温换热器（13）相连；第二个热声发动机的热端换热器（15）与所述N-1个直线型双作用发电机（3）中的第二个直线型双作用发电机的第一膨胀活塞（18）相连；第二个直线型双作用发电机的第二压缩活塞（23）再与所述N个热声发动机（2）中的第三个热声发动机的主室温换热器（13）相连；

以此类推，热声发动机与直线型双作用发电机交替相互串联，所述N个热声发动机（2）中的第N个热声发动机的主室温换热器（13）与所述N-1个直线型双作用发电机（3）中的第N-1个直线型双作用发电机的第二压缩活塞（23）相连，第N个热声发动机的热端换热器（15）与所述直线型发电机（4）的第二膨胀活塞（9）相连；

所述N-1个直线型双作用发电机（3）的每一直线型双作用发电机均有两个活塞同时工作，一个为第一膨胀活塞（18）吸收上一个热声发动机产生的声功，在该直线型双作用发电机处将声功转换为电能对外接负载输出进行发电；另一个为第二压缩活塞（23）将声功输入到下一个热声发动机。

6.按权利要求书5所述的直线型双作用热声发电系统，其特征在于，工作于所述直线型双作用热声发电系统起始端的直线型压缩机（1）和最末端的直线型发电机（4）均为单方向作用的直线电机；所述直线型双作用热声发电系统中的直线型双作用发电机均为同时具有压缩活塞和膨胀活塞且两个活塞同时工作的双作用电机；通入交流电的直线型压缩机（1）将电能转换为声功输入其后热声发动机；加热了的热声发动机的热端换热器（15）利用热声效应产生声功；所述的直线型双作用发电机和直线型发电机（4）均将热声发动机产生的声功转换为电能对外接负载输出。

7.按权利要求书5所述的直线型双作用热声发电系统，其特征在于，将连接于N个热声发动机（2）中的第一个热声发动机两端的直线型压缩机（1）和第一个直线型双作用发电机，连接于N个热声发动机中最后一个热声发动机两端的双作用直线型发电机和直线型发电机（4），以及连接于N个热声发动机中的其余热声发动机两端的双作用直线型发电机均称为直线电机；通过同时对连接于每个热声发动机两端的直线电机的频率特性进行设定：对直线电机的BL数、内阻、动质量、第一板弹簧、第二板弹簧和第三板弹簧刚度以及机械阻尼的调节，实现对热声发动机两端相位的调节，使得热声发动机工作在60°～150°的行波相位，其中BL数的概念是，B为直线电机内的磁场强度，L为电机线圈在磁场内的长度，BL数为两者的乘积。

8.按权利要求书5所述的直线型双作用热声发电系统，其特征在于，对热声发动机的热端换热器进行加热的热源采用太阳能热源和高温工业废热热源或高温工业烟气热源。

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