CN103670974A - 同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统 - Google Patents

Abstract

一种同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统，其包括至少三组热声发电单元、一低温冷能供应系统和一低品位热能供应系统，每组热声发电单元均由一个直线发电机和一个热声发动机组成；热声发动机包括依次相连的第一室温换热器、第一热缓冲管、冷端换热器、回热器、热端换热器、第二热缓冲管、第二室温换热器和连接管；该发电系统可同时回收利用冷能和热能，提高能源利用率；回热器高低温端形成大的温度梯度，可提高回热器产生声功的能力，增大系统发电量；在冷端与热端换热器处各增加一级热缓冲管和室温换热器，可减少冷热能损失，可避免发电机工作在冷或热环境中，提高系统可靠性。具有广阔的应用前景。

Description

同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统

技术领域

本发明涉及一种发电系统，特别是一种同时回收利用低温流体冷能和低品位热能的双作用热声发电系统。

背景技术

能源的潜在危机和生态环境的恶化使世界各国积极开发利用低品位热能。在工业生产中，具有大量低品位、无法用常规方法进一步利用的废热，通常这部分热量只能被排放到环境中去，包括蒸汽锅炉、热媒锅炉、焚化炉、加热炉、电弧炉、水泥窑等的烟道气体排放，其中多数仍有相当的热能未被有效利用。同时，太阳能安全、无污染、储量丰富且可以经济利用。我国地处北半球欧亚大陆的东部，幅员辽阔，太阳能资源十分丰富。如果能够将太阳能有效利用，对于缓解我国的能源问题，保护生态环境，保证经济发展过程中能源的持续稳定供应都将具有重大而深远的意义。太阳能集热器主要有三种形式：塔式集热器、槽式集热器和碟式集热器。以槽式集热温度最低（通常低于400℃），但技术最为成熟。如果可以将工业废热和太阳能等低品位热能加以利用，会大大提高能源的利用率。

与此同时，在工业上常常存在多余冷能如工业副产品液氮、液化天然气的冷能等。而现有技术一方面在对冷能与低品位热能分别单独回收利用时存在经济性较差的问题，另一方面在单台设备上同时实现冷、热能的高效利用还存在较大的困难。目前来看，热声技术将是一个很好的选择，而热声发动机产生的声波能进一步转换为更易于利用的电能，是一种可靠、环保、多元化驱动源的新型发电系统。其效率甚至可以超越诸多现有的发电技术，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。

图1为传统的双作用热声发电系统结构示意图，将三组相同的热声发动机和直线发电机串联成环路，结构紧凑、功率密度高。如图所示，该系统包括：直线发电机101、主室温换热器102、回热器105、热端换热器106、热缓冲管107、次室温换热器108和连接管109。直线发电机101由压缩活塞111、膨胀活塞112、发电机动子113、发电机定子线圈114和发电机负载115组成。热端换热器106吸收热源的热量形成高温端，主室温换热器102放出热量形成室温端，这样在回热器105的两端形成了温差，根据热声效应，当回热器达到一定温度梯度时，系统便自激起振，将热能转化成声功。声功沿着温度梯度的正方向先传递到本组的热缓冲管107和次室温换热器108，然后由连接管109传递到下一组的直线发电机101，将一部分声功转化成电功，将剩余的声功继续传递到下一组的主室温换热器102并通过回热器105产生和放大声功，依次传递下去，三组系统构成环路，每台发动机都可以回收上一台的部分声功，有利于提高效率。双作用体现在每台发电机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，通过调节阻抗，均可以获得较高的热电转换效率和较大的发电量。在图1所示的传统的双作用热声发电系统中，无法简单通过主室温换热器102与低温冷源热交换来实现冷能利用，因为这样会造成大量的冷能损失。

本文正是基于以上传统热声发电系统存在的一些问题，提出了新型的可以同时回收利用低温流体冷能和低品位热能的双作用热声发电系统，大大提高了能源利用率；并通过新的结构设计，减少了冷能的损失，提高了回热器两端绝对温度之比，从而在不大幅增加系统复杂度的基础上使得热声发电系统性能较之单热源发电系统得到大幅地提高、同时也提高了能源回收利用的经济性。

发明内容

本发明的目的是针对现有热声发电系统无法同时利用冷源与热源的问题，提出了一种可同时回收利用低温流体冷能和低品位热能的双作用热声发电系统；本发明的优点在于新型的低品位热源供应系统和低温流体冷源供应系统，可以大大提高能源的利用率，而冷热源的同时利用可使回热器两端绝对温度之比大幅提高；同时新的结构设计，减少了冷能的损失，使得在不大幅增加系统复杂度的基础上大幅提高了热声发电系统的性能、同时也提高了能源回收利用的经济性。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统，其包括至少三组热声发电单元，所述至少三组热声发电单元构成环路；

所述至少三组热声发电单元的每组热声发电单元均由一个直线发电机和一个热声发动机组成；所述直线发电机由汽缸、置于汽缸内两端的压缩活塞和膨胀活塞、与所述压缩活塞及膨胀活塞相连的发电机动子、绕制于发电机动子外围的发电机定子线圈和与所述发电机定子线圈电连接的发电机负载组成；所述热声发动机包括依次相连的第一室温换热器、回热器、热端换热器、第二热缓冲管、第二室温换热器和连接管；每组热声发电单元的直线发电机的汽缸上端部与该组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器通过管道相连通；该组热声发电单元的热声发动机的连接管与下一组热声发电单元的直线发电机的汽缸下端部相连通；首组热声发电单元的直线发电机的汽缸下端部与末组热声发电单元的热声发动机的第二室温换热器相连通；

其特征在于，还包括低温冷能供应系统和低品位热能供应系统；所述至少三组热声发电单元的每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器上依次连接第一热缓冲管和冷端换热器，所述冷端换热器与该组热声发电单元的热声发动机的回热器相连；

所述低温冷能供应系统包括冷能存储罐、冷能阀门和冷能输出管道；所述冷能存储罐内冷能通过冷能阀门和冷能输出管道分别输送给每组热声发电单元的热声发动机的冷端换热器，以使冷端换热器成为低温端；

所述低品位热能供应系统包括热能存储罐、热能阀门和热能输出管道；所述热能存储罐内热能通过热能阀门和热能输出管道分别输送给每组热声发电单元的热声发动机的热端换热器，以使热端换热器成为高温端；在每组热声发电单元的热声发动机的回热器两端形成温度梯度，所述同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统在该温度梯度下自激起振，将热能转化成声功；每组热声发电单元产生的声功沿着温度梯度正方向先传递到该组热声发电单元的热声发动机的第二热缓冲管和第二室温换热器，然后由该组热声发电单元的热声发动机的连接管传递到下一组热声发电单元的直线发电机，将一部分声功转化成电功，将剩余的声功继续传递到下一组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器和第一热缓冲管并通过回热器产生声功和放大声功；依次传递下去将声功转化成电功。

所述的低温冷能供应系统还包括连接于每组热声发电单元的热声发动机的冷端换热器的冷能回收罐。

所述的低品位热能供应系统还包括连接于每组热声发电单元的热声发动机的热端换热器的热能回收罐。

所述每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器和第一热缓冲管将冷端换热器与直线发电机隔开，以减少冷能损失，提高冷能利用率和热电转换效率。

所述每组热声发电单元的直线发电机的一个活塞起到压缩活塞作用，另一个活塞起到膨胀活塞作用。

所述每组热声发电单元的直线发电机的负载为电阻、电网或其他。

所述低温冷能供应系统中的冷能存储罐内的低温流体冷能来自液化天然气或液氮。所述低品位热能供应系统的热能存储罐的热能来自太阳能或工业废热。

本发明的同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统优点在于：冷热两种温源的同时利用，增大了回热器高低温端的温比，提高了回热器产生声功的能力，增大了系统发电量；并通过增加一级室温换热器和热缓冲管，减少了冷能损失，从而提高了热电转换效率；与传统热声发电系统相比，一方面可以利用低品位热能和低温流体冷能，提高能源的利用率，并增大回热器高低温端的温比，提高热电转换效率；另一方面新的结构可以减少冷能损失，在不大幅增加系统复杂度的基础上大幅提高热声发电系统的性能。

附图说明

图1为传统的双作用热声发电系统结构示意图；

图2为本发明的一种同时回收利用低温流体冷能和低品位热能的双作用热声发电系统（实施例1）结构示意图；

图3为本发明一种同时回收利用低温流体冷能和低品位热能的双作用热声发电系统（实施例2）结构示意图；

图4为本发明一种同时回收利用低温流体冷能和低品位热能的双作用热声发电系统（实施例3）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。

本发明的热源供应系统和低温冷源供应系统，充分利用了低品位热源和多余冷源，大大提高了能源利用率；而热源和冷源的同时利用可以增大回热器高低温端的温比，提高回热器产生声功的能力，增大系统的发电量。通过调节直线发电机的阻抗，可以获得较高的热电转换效率和较大的发电量。而新的结构设计减少了冷能的损失，大大提高了双作用热声发电系统的性能。

实施例1：

图2为本发明一种同时回收利用低温流体冷能和低品位热能的双作用热声发电系统（实施例1）结构示意图；其结构包括三组热声发电单元；该三组热声发电单元的每组热声发电单元均由一个直线发电机101和一个热声发动机组成；该三组热声发电单元的构成环路；

每一直线发电机101由汽缸、置于汽缸内两端的压缩活塞111和膨胀活塞112、与所述压缩活塞111及膨胀活塞112相连的发电机动子113、绕制于发电机动子113外围的发电机定子线圈114和与所述发电机定子线圈114电连接的发电机负载115组成；

每一热声发动机都包括依次相连的第一室温换热器102、第一热缓冲管103、冷端换热器104、回热器105、热端换热器106、第二热缓冲管107、第二室温换热器108和连接管109；每组热声发电单元的直线发电机101的汽缸上端部与该组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器102通过管道相连通；该组热声发电单元的热声发动机的连接管109与下一组热声发电单元的直线发电机101的汽缸下端部相连通；首组热声发电单元的直线发电机101的汽缸下端部与末组热声发电单元的热声发动机的第二室温换热器108相连通；

本实施例的低温冷能供应系统由冷能存储罐201、冷能阀门202、冷能输出管道203和冷能回收罐204组成；冷能回收罐204用于回收冷能；冷能存储罐201内的冷能通过冷能阀门202和冷能输出管道203分别输送给每组热声发电单元的热声发动机的冷端换热器104，以使冷端换热器104成为低温端；

本实施例的低品位热能供应系统由热能存储罐301、热能阀门302、热能输出管道303和热能回收罐304组成；热能回收罐304用于回收热能；热能存储罐301内热能通过热能阀门302和热能输出管道303分别输送给每组热声发电单元的热声发动机的热端换热器106，以使热端换热器106成为高温端；

在每一回热器105两端形成温度梯度，系统在该温度梯度下自激起振，将热能转化成声功；声功沿着温度梯度正方向先传递到该组热声发电单元的热声发动机的第二热缓冲管107和第二室温换热器108，然后由该组热声发电单元的热声发动机的连接管109传递到下一组热声发电单元的直线发电机101，将一部分声功转化成电功，将剩余的声功继续传递到下一组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器102和第一热缓冲管103并通过回热器105产生声功和放大声功；依次传递下去；三组热声发电单元的每组热声发电单元构成环路；每台直线发动机都可以回收上一台直线发动机的部分声功，有利于提高效率；双作用体现在每台直线发动机的一个活塞起到压缩活塞作用，另一个活塞起到膨胀活塞作用，通过调节阻抗，均可以获得较高的热电转换效率和较大的发电量；第一室温换热器102和第一热缓冲管103将冷端换热器104和直线发电机101隔开，可大大减少冷能损失，同时利用可以增大回热器高低温端的温比，提高其产生声功的能力，有利于增大系统发电量和提高热电转换效率。

实施例2：

图3为本发明一种同时回收利用低温流体冷能和低品位热能的双作用热声发电系统（实施例2）结构示意图；本实施例是在实施例1的基础上，热源供应系统采用槽式太阳能热源供应系统，冷源供应系统采用液氮或液化天然气冷源供应系统。

三组热声发电单元的每组热声发电单元均由一个直线发电机101和一个热声发动机组成；该三组热声发电单元构成环路，其结构同实施例1；

槽式太阳能热源供应系统包括：槽式集热器305、油泵306、热能输出管道303、热能输入管道307；每组热声发电单元的热能输入管道307两端分别连通该组热声发动机的热端换热器106和槽式集热器305；

冷源供应系统包括：冷能（液氮或液化天然气）储存罐201、冷能阀门202、冷能输出管道203和冷能回收罐204；其结构同实施例1；

槽式太阳能热源供应系统中槽式集热器305用聚焦的太阳光加热导热油，通过油泵306沿热能输出管道303分别输送到三个热端换热器106进行热交换，换热后沿着热能输入管道307流回槽式集热器重新被加热。

冷源供应系统中大量液氮或液化天然气保温存放在液氮储存罐201内，使用时打开冷源阀门202，通过冷源输出管道203分别输送到三个冷端换热器104进行热交换，这里主要利用液氮或液化天然气较高的气化潜热，换热后的氮气或天然气流进冷能回收罐204内，以便其他应用。

每组热声发电单元的热声发动机的热端换热器106获得热量形成高温端，冷端换热器104获得冷量形成低温端，这样在回热器105的两端形成温差，根据热声效应，当回热器达到一定温度梯度时，系统便自激起振，将热能转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向先传递到本组的第二热缓冲管107和第二室温换热器108，然后由连接管109传递到下一组热声发电单元的直线发电机101，将一部分声功转化成电功，将剩余的声功继续传递到下一组热声发电单元的热声发电机的第一室温换热器102和第一热缓冲管103并通过回热器105产生和放大声功，依次传递下去，三组组热声发电单元构成环路，每台热声发动机都可以回收上一台热声发动机的部分声功，有利于提高效率；双作用体现在每台直线发电机的一个活塞起到压缩活塞作用，另一个活塞起到膨胀活塞作用，通过调节阻抗，均可以获得较高的热电转换效率和较大的发电量；而每台热声发动机的第一室温换热器102和第一热缓冲管103将冷端换热器104和直线发电机101隔开，大大减少了冷能损失，太阳能热源和液氮冷源的同时利用可以增大回热器高低温端的温比，提高其产生声功的能力，有利于增大系统发电量和提高热电转换效率。

实施例3

图4为本发明的一种同时回收利用低温流体冷能和低品位热能的双作用热声发电系统（实施例3）结构示意图。本实施例是在实施例2的基础上，将热声发电系统中三组直线发电机和发动机扩展为四组直线发电机和发动机，而槽式太阳能热源和液氮或液化天然气冷源供应系统只是简单增加了一路管道，这样在结构简单变化后提高了系统的功率密度和总体发电量。同时可以根据具体的用电需求和尺寸要求，选择四组或四组以上的系统组合，而排列方式可以是环路或者并排等形式。

Claims (8)

1.一种同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统，其包括至少三组热声发电单元，所述至少三组热声发电单元构成环路；

所述至少三组热声发电单元的每组热声发电单元均由一个直线发电机和一个热声发动机组成；所述直线发电机由汽缸、置于汽缸内两端的压缩活塞和膨胀活塞、与所述压缩活塞及膨胀活塞相连的发电机动子、绕制于发电机动子外围的发电机定子线圈和与所述发电机定子线圈电连接的发电机负载组成；所述热声发动机包括依次相连的第一室温换热器、回热器、热端换热器、第二热缓冲管、第二室温换热器和连接管；每组热声发电单元的直线发电机的汽缸上端部与该组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器通过管道相连通；该组热声发电单元的热声发动机的连接管与下一组热声发电单元的直线发电机的汽缸下端部相连通；首组热声发电单元的直线发电机的汽缸下端部与末组热声发电单元的热声发动机的第二室温换热器相连通；其特征在于：

还包括低温冷能供应系统和低品位热能供应系统；所述至少三组热声发电单元的每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器上依次连接第一热缓冲管和冷端换热器，所述冷端换热器与该组热声发电单元的热声发动机的回热器相连；

所述低温冷能供应系统包括冷能存储罐、冷能阀门和冷能输出管道；所述冷能存储罐内冷能通过冷能阀门和冷能输出管道分别输送给每组热声发电单元的热声发动机的冷端换热器，以使冷端换热器成为低温端；

所述低品位热能供应系统包括热能存储罐、热能阀门和热能输出管道；所述热能存储罐内热能通过热能阀门和热能输出管道分别输送给每组热声发电单元的热声发动机的热端换热器，以使热端换热器成为高温端；在每组热声发电单元的热声发动机的回热器两端形成温度梯度，所述同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统在该温度梯度下自激起振，将热能转化成声功；每组热声发电单元产生的声功沿着温度梯度正方向先传递到该组热声发电单元的热声发动机的第二热缓冲管和第二室温换热器，然后由该组热声发电单元的热声发动机的连接管传递到下一组热声发电单元的直线发电机，将一部分声功转化成电功，将剩余的声功继续传递到下一组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器和第一热缓冲管并通过回热器产生声功和放大声功；依次传递下去将声功转化成电功。

2.按权利要求书1所述的同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统，其特征在于，所述的低温冷能供应系统还包括连接于每组热声发电单元的热声发动机的冷端换热器的冷能回收罐。

3.按权利要求书1所述的同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统，其特征在于，所述的低品位热能供应系统还包括连接于每组热声发电单元的热声发动机的热端换热器的热能回收罐。

4.按权利要求书1所述的同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统，其特征在于，所述每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器和第一热缓冲管将冷端换热器与直线发电机隔开，以减少冷能损失，提高冷能利用率和热电转换效率。

5.按权利要求书1所述的同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统，其特征在于，所述每组热声发电单元的直线发电机的一个活塞起到压缩活塞作用，另一个活塞起到膨胀活塞作用。

6.按权利要求书1所述的同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统，其特征在于，所述每组热声发电单元的直线发电机的负载为电阻、电网或其他。

7.按权利要求书1所述的同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统，其特征在于，所述低温冷能供应系统中的冷能存储罐内的低温流体冷能来自液化天然气或液氮。

8.按权利要求书1所述的同时回收利用冷能和热能的双作用热声发电系统，其特征在于，所述低品位热能供应系统的热能存储罐的热能来自太阳能或工业废热。

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