CN103670975B - 一种同时利用冷源和热源的热声发电系统 - Google Patents

Abstract

一种同时利用冷源和热源的热声发电系统包括：对称放置的两台直线发电机和行波热声发动机；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；冷端换热器吸收冷量为低温端，热端换热器吸收热量为高温端；回热器在形成的温度梯度下将热能转化成声功，声功沿温度梯度正方向先传递到该发动机的第二热缓冲管和第二室温换热器，在一四通管处进行分流：一部分流向反馈管并通过环路传递到下一第一室温换热器和第一热缓冲管，再通过回热器放大；另一部分流向直线发电机，推动发电机活塞及发电机动子磁铁的运动，产生感应电动势，实现机械能到电能的转化；可充分利用一些场合多余冷源，又可解决低品位热源利用，具有广阔应用前景。

Description

一种同时利用冷源和热源的热声发电系统

技术领域

本发明涉及一种发电系统，特别是一种同时利用冷源和热源的热声发电系统。

背景技术

在工业上常常存在多余冷能和多余热能的情况。冷能方面，如工业副产品液氮、液化天然气等；热能方面，诸多低品位的热能，如太阳能、工业余热、烟气废热等，这些冷能或热能都无法单独得到充分有效的利用。而现有技术在单台设备上同时实现冷、热能的高效利用尚存在较大的困难。

热声技术是指利用热声效应实现热能和声能（即机械能）之间相互转换的技术，生成的声能可用来驱动直线发电机产生电能，最终实现热能到电能的转换。热声发动机一般由空管段、回热器和换热器组成，由于系统内无任何机械运动部件，使用寿命很长；另外，热声发动机一般以氦气、氮气、氩气等环保气体作为工作介质，对环境友好。热声发动机按照内部声场的不同特性，可以分为驻波热声发动机和行波热声发动机，对于驻波热声发动机而言，尽管由于回热器内的热交换过程基于不可逆过程、热效率略低，但是具有结构简单的优点；行波热声发动机回热器内的热交换基于可逆的斯特林循环，因此内禀效率较高，用途更为广泛。直线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高效率及高可靠性。

传统的热声发电机设计只考虑了一种热源，即高温热源。图1为传统的行波热声发电系统结构示意图。如图所示，该系统包括：直线发电机1、第一室温换热器2、回热器5、热端换热器6、第二热缓冲管7、第二室温换热器8、反馈管9和谐振管10。直线发电机1由发电机活塞11、与所述发电机活塞11相连的发电机动子磁铁12、绕制于发电机动子磁铁12外围的发电机定子线圈13及与所述发电机定子线圈13电连接的发电机负载14组成。直线发电机采用两台对置式结构，在运行时动子相对运动，减小装置的振动。热端换热器6吸收热源的热量形成高温端，第一室温换热器2放出热量形成室温端，这样在回热器5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。声功流的方向是沿着温度梯度的正方向，即先传递到第二热缓冲管7和第二室温换热器8，然后到达四通管处分流，一部分声功流向反馈管9，并通过环路传递到第一室温换热器2和第一热缓冲管3，然后通过回热器5放大；一部分流向直线发电机1，推动发电机活塞11及发电机动子磁铁12在发电机定子线圈13中运动，产生感应电动势，实现机械能到电能的转化；另一部分声功流向谐振管10，并储存在其中，以使同时利用冷源和热源的热声发动机系统达到平衡状态的长时间稳定运行。在图1所示的传统行波热声发电系统中，无法简单通过第一室温换热器2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。

图2为传统的驻波热声发电系统结构示意图。如图所示，该系统包括：直线发电机1、第一室温换热器2、回热器5、热端换热器6、谐振管10和热腔15。直线发电机1由发电机活塞11、与所述发电机活塞11相连的发电机动子磁铁12、绕制于发电机动子磁铁12外围的发电机定子线圈13及与所述发电机定子线圈13电连接的发电机负载电阻14组成。直线发电机采用两台对置式结构，在运行时动子相对运动，减小装置的振动。热端换热器6吸收热源的热量形成高温端，使热腔15内气体受热膨胀，第一室温换热器2放出热量形成室温端，这样在回热器5的两端形成了温差，系统自激起振，将热能转化成声功。声功传递时产生分流，一小部分声功流向谐振管10，以保证系统在特定的频率下稳定工作；而大部分声功流向直线发电机1并全部转化成了电功。在图2所示的传统驻波热声发电系统中，同样无法简单通过第一室温换热器2与低温热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。由此可以看出，对于传统的驻波和行波热声发电系统而言，目前的结构无法实现冷源与热源的同时利用。

本发明正是基于以上传统热声发电系统存在的一些问题，提出了一种新型的设计，可以同时利用冷源和热源的热声发电系统。此外，由于冷、热源的同时存在，使得回热器两端绝对温度之比大幅提高，从而在基本不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可以得到大幅提高。

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，提出了一种新型的可同时利用冷源和热源的热声发电系统。本发明的优点在于热端可以利用低品位的热源，而冷端可以利用多余冷能，提高了能源的利用率。同时，由于回热器两端绝对温度之比的大幅提高，使得在基本不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。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的同时利用冷源和热源的热声发电系统，其包括：对称放置的两台直线发电机和行波热声发动机；所述两台直线发电机中的每台直线发电机均由发电机活塞、与所述发电机活塞相连的发电机动子磁铁、绕制于发电机动子磁铁外围的发电机定子线圈及与所述发电机定子线圈电连接的发电机负载组成；所述行波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、第二热缓冲管和第二室温换热器，所述第一室温换热器另一端连接反馈管，反馈管另一端通过一个四通分别连通于第二室温换热器和对称放置的两台直线发电机；其特征在于，还包括依次连接于行波热声发动机的第一室温换热器的第一热缓冲管和冷端换热器，所述冷端换热器与行波热声发动机的回热器相连；

所述冷端换热器吸收与其相连的冷源的冷量形成低温端，行波热声发动机的热端换热器吸收与其相连的热源的热量形成高温端，在回热器上形成温度梯度；回热器在该温度梯度条件下将热能转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传递，先传递到该行波热声发动机的第二热缓冲管和第二室温换热器，然后到达一个四通管处进行分流：一部分声功流向行波热声发动机的反馈管，并通过环路传递到第一室温换热器和第一热缓冲管，然后通过回热器放大；一部分流向直线发电机，推动发电机活塞及发电机动子磁铁在发电机定子线圈中运动，产生感应电动势，实现机械能到电能的转化；以使同时利用冷源和热源的热声发动机系统达到平衡状态下的长时间稳定运行。

所述行波热声发电还包括连通于所述四通的一个端口的谐振管。所述对称放置的两台直线发电机连通于所述行波热声发动机的谐振管中段或后端。

本发明提供的同时利用冷源和热源的热声发电系统，其包括：对称放置的两台直线发电机和驻波热声发动机；所述两台直线发电机中的每台直线发电机均由发电机活塞、与所述发电机活塞相连的发电机动子磁铁、绕制于发电机动子磁铁外围的发电机定子线圈及与所述发电机定子线圈电连接的发电机负载组成；所述驻波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、和热腔，所述第一室温换热器另一端通过一个三通与对称放置的两台直线发电机相连通；其特征在于，还包括依次连接于驻波热声发动机的第一室温换热器的第一热缓冲管和冷端换热器，所述冷端换热器与驻波热声发动机的回热器相连；

所述冷端换热器吸收与其相连的冷源的冷量形成低温端，驻波热声发动机的热端换热器吸收与其相连的热源的热量形成高温端，在回热器上形成温度梯度；回热器在该温度梯度条件下将热能转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传递，先传递到该驻波热声发动机的第一热缓冲管和第一室温换热器，然后到达一个三通管处并流向直线发电机，推动发电机活塞及发电机动子磁铁在发电机定子线圈中运动，产生感应电动势，实现机械能到电能的转化；以使同时利用冷源和热源的热声发动机系统达到平衡状态下的长时间稳定运行。

所述驻波热声发电还包括连通于所述三通的一个端口的谐振管。所述对称放置的两台直线发电机连通于所述驻波热声发动机的谐振管中段或后端。

本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统，对于行波或驻波热声发电系统均可以在无谐振管的情况下运行，使结构更加紧凑。

本发明的同时利用冷源和热源的热声发电机系统，可同时利用冷源和热两种温源，增大了回热器高低温端的温比，提高了发动机产生声功的能力；并通过增加一级室温换热器和热缓冲管，减少了冷能的损失，从而提高了效率；与传统热声发动机相比，一方面可以利用多余的冷能，提高能源的利用率，并增大回热器高低温端的温比，提高发动机性能；另一方面可以减少冷能的损失，在基本不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为传统的行波热声发电系统结构示意图；

图2为传统的驻波热声发电系统结构示意图；

图3为本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统（实施例1）结构示意图；

图4为本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统（实施例2）结构示意图；

图5为本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统（实施例3）结构示意图。

图6为本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统（实施例4）结构示意图。

图7为本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统（实施例5）结构示意图。

图8为本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统（实施例6）结构示意图。

具体实施方式

本发明在充分利用一些场合多余冷源的基础上，又解决了低品位热源的利用问题，而冷源和热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；同时本发明的结构可减少冷能损失，大大提高热声发电系统的性能，具有广阔的应用前景。

下面通过具体附图及实施例进一步描述本发明。

实施例1：

图3为本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统（实施例1）结构示意图。如图3所示，该同时利用冷源和热源的热声发电系统包括：行波热声发动机和对称放置的两台直线发电机；所述两台直线发电机中的每台直线发电机1由发电机活塞11、与所述发电机活塞11相连的发电机动子磁铁12、绕制于发电机动子磁铁12外围的发电机定子线圈13及与所述发电机定子线圈13电连接的发电机负载14组成。所述的行波热声发动机依次相连的第一室温换热器1、第一热缓冲管2、冷端换热器3、回热器4、热端换热器5、第二热缓冲管6和第二室温换热器7；反馈管8一端与第一室温换热器1相连通，反馈管8另一端通过三通管9和谐振管10相连通。本实施例中直线发电机连接于行波热声发动机的三通处。

本实施例的行波热声发动机的冷端换热器4吸收与其连接的冷源的冷量形成低温端，热端换热器6吸收与其连接的热源的热量形成高温端，在回热器5上形成温度梯度；当回热器5达到一定温度梯度时，系统便自激起振，回热器5在该温度梯度条件下将热能转化成声功，声功的方向沿着温度梯度的正方向，先传递到第二热缓冲管7和第二室温换热器8，然后到达四通管处分流，一部分声功流向反馈管9，并通过环路传递到第一室温换热器2和第一热缓冲管3，然后通过回热器5放大；一部分流向直线发电机1，推动发电机活塞11及发电机动子磁铁12在发电机定子线圈13中运动，产生感应电动势，实现机械能到电能的转化；另一部分声功流向谐振管10，并储存在其中，以使同时利用冷源和热源的热声发动机系统达到平衡状态的长时间稳定运行。该实施例中第一室温换热器2和第一热缓冲管3将冷端换热器4和反馈管9隔开，减少了冷能在环路中的损失；第二室温换热器8和第二热缓冲管7将热端换热器6和直线发电机1隔开，减少了热能的损失。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4为本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统（实施例2）结构示意图。如图4所示，本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统包括：驻波热声发动机和对称放置的两台直线发电机；所述两台直线发电机中的每台直线发电机1由发电机活塞11、与所述发电机活塞11相连的发电机动子磁铁12、绕制于发电机动子磁铁12外围的发电机定子线圈13及与所述发电机定子线圈13电连接的发电机负载14组成。所述驻波热声发动机包括依次相连的第一室温换热器2、第一热缓冲管3、冷端换热器4、回热器5、热端换热器6和热腔15，以及连接于所述第一室温换热器2另一端的谐振管10；本实施例中直线发电机连接于驻波热声发动机的中段。

本实施例中的驻波热声发动机的热端换热器6吸收来自热源的热量形成高温端，冷端换热器4吸收来自冷源的冷量形成低温端，这样在回热器5的两端形成了温差；当温差大到一定程度时，系统自激起振，将热能转换成声能。产生的声功依次经过第一热缓冲管3和第一室温换热器2，之后产生分流，一部分声功流向谐振管10，以保证系统在特定频率下稳定运行，另一部分声功流向直线发电机1，推动发电机活塞11及发电机动子磁铁12在发电机定子线圈13中运动，产生感应电动势，实现机械能到电能的转化。该实施例中第一室温换热器2和第一热缓冲管3将冷端换热器4和反馈管9隔开，减少了冷能在环路中的损失。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5为本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统（实施例3）结构示意图。如图5所示，本实施例是实施例1的另一种结构，即将对称放置的两台直线发电机外接在谐振管10后端，对热声发电系统的性能没有影响，而整体的尺寸有所改变，可以应用在一些特定的场合。

实施例4：

图6为本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统（实施例4）结构示意图。如图6所示，本实施例是实施例2的另一种结构，即将对称放置的两台直线发电机外接在谐振管10后端，对热声发电系统的性能没有影响，而整体的尺寸有所改变，可以应用在一些特定的场合。

实施例5：

图7为本发明的同时利用冷源和热源的热声发电系统（实施例5）结构示意图。本实施例是在实施例3的基础上，减少了轴向尺寸较长的谐振管10（即缩短了谐振管10的轴向尺寸），使得回热器5产生的声功全部传递到直线发电机中并转化成电功，而系统的频率主要受发电机活塞质量、板弹簧刚度和气体弹簧刚度的影响，谐振管的减少使系统结构更为紧凑。

实施例6：

图8为本发明的一种同时利用冷源和热源的热声发电系统（实施例6）结构示意图。本实施例是在实施例4的基础上，减少了轴向尺寸较长的谐振管10（即缩短了谐振管10的轴向尺寸），使得回热器5产生的声功全部传递到直线发电机1中并转化成电功，而系统的频率主要受发电机活塞质量、板弹簧刚度和气体弹簧刚度的影响，谐振管的减少使系统结构更为紧凑。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种同时利用冷源和热源的热声发电系统，其包括：对称放置的两台直线发电机和行波热声发动机；所述两台直线发电机中的每台直线发电机均由发电机活塞、与所述发电机活塞相连的发电机动子磁铁、绕制于发电机动子磁铁外围的发电机定子线圈及与所述发电机定子线圈电连接的发电机负载组成；所述行波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、第二热缓冲管和第二室温换热器，所述第一室温换热器另一端连接反馈管，反馈管另一端通过一个四通分别连通于第二室温换热器和对称放置的两台直线发电机；其特征在于，还包括依次连接于行波热声发动机的第一室温换热器的第一热缓冲管和冷端换热器，所述冷端换热器与行波热声发动机的回热器相连；

所述冷端换热器吸收与其相连的冷源的冷量形成低温端，行波热声发动机的热端换热器吸收与其相连的热源的热量形成高温端，在回热器上形成温度梯度；回热器在该温度梯度条件下将热能转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传递，先传递到该行波热声发动机的第二热缓冲管和第二室温换热器，然后到达一个四通处进行分流：一部分声功流向行波热声发动机的反馈管，并通过环路传递到第一室温换热器和第一热缓冲管，然后通过回热器放大；一部分流向直线发电机，推动发电机活塞及发电机动子磁铁在发电机定子线圈中运动，产生感应电动势，实现机械能到电能的转化，以使同时利用冷源和热源的热声发动机系统达到平衡状态下的长时间稳定运行。

2.按权利要求1所述的同时利用冷源和热源的热声发电系统，其特征在于，所述行波热声发电机还包括连通于所述四通的一个端口的谐振管。

3.按权利要求2所述的同时利用冷源和热源的热声发电系统，其特征在于，所述对称放置的两台直线发电机连通于所述行波热声发动机的谐振管中段或后端。

4.一种同时利用冷源和热源的热声发电系统，其包括：对称放置的两台直线发电机和驻波热声发动机；所述两台直线发电机中的每台直线发电机均由发电机活塞、与所述发电机活塞相连的发电机动子磁铁、绕制于发电机动子磁铁外围的发电机定子线圈及与所述发电机定子线圈电连接的发电机负载组成；所述驻波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、和热腔，所述第一室温换热器另一端通过一个三通与对称放置的两台直线发电机相连通；其特征在于，还包括依次连接于驻波热声发动机的第一室温换热器的第一热缓冲管和冷端换热器，所述冷端换热器与驻波热声发动机的回热器相连；

所述冷端换热器吸收与其相连的冷源的冷量形成低温端，驻波热声发动机的热端换热器吸收与其相连的热源的热量形成高温端，在回热器上形成温度梯度；回热器在该温度梯度条件下将热能转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传递，先传递到该驻波热声发动机的第一热缓冲管和第一室温换热器，然后到达一个三通管处并流向直线发电机，推动发电机活塞及发电机动子磁铁在发电机定子线圈中运动，产生感应电动势，实现机械能到电能的转化；以使同时利用冷源和热源的热声发动机系统达到平衡状态下的长时间稳定运行。

5.按权利要求4所述的同时利用冷源和热源的热声发电系统，其特征在于，所述驻波热声发电还包括连通于所述三通的一个端口的谐振管。

6.按权利要求4所述的同时利用冷源和热源的热声发电系统，其特征在于，所述对称放置的两台直线发电机连通于所述驻波热声发动机的谐振管中段或后端。