CN103758657A - 一种声学共振型行波热声发电系统 - Google Patents

Abstract

一种声学共振型行波热声发电系统，其由至少三台声学共振型行波热声发动机、至少一台直线电机和谐振管组成；该至少三台声学共振型行波热声发动机通过谐振管首尾相连以构成环路回路；每一热声发动机单元均包含主室温换热器、回热器、热端换热器、热缓冲管、次室温端换热器、谐振管及环路直流抑制器；直线电机旁接于谐振管上；与现有技术相比，本发明的声学共振型行波热声发电系统可以将不同品位的热能转化成电能，具有可靠性好、效率高、功率灵活等优点，可应用于太阳能、生物质能、工业余热等利用领域，具有很好的实用价值和应用前景。

Description

一种声学共振型行波热声发电系统

技术领域

本发明涉及一种热发电系统，特别是一种声学共振型行波热声发电系统。

背景技术

热声发电技术是一种新型的热发电技术，具有能源适应性好、可靠性高、功率灵活、效率高等显著优点，可广泛应用于太阳能、生物质能、工业余热回收等领域，具有很好的应用前景。热声发电系统包含能将热能转换成声功（声波形式机械能）的热声发动机以及能将声功转换成电能的发电机。根据热声发动机回热器中声场分布的不同，热声发动机可分为行波热声发动机和驻波热声发动机。行波热声发动机回热器内部的热力循环基于可逆的斯特林循环，相较于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言具有内禀效率高的优点，因此行波热声发动机更适合于应用，也是近年来研究的热点。

声学共振型热声发动机是行波热声发动机中的一种，通过在一个波长的环路上布置多个热声发动机核心单元来构建一个发动机，除上述优点外还具有功率密度高的特点，适合于大功率场合。专利WO2010107308A1公布了一种声学共振型行波热声发动机系统，如图1所示。该系统包括主室温端换热器101、回热器102、热端换热器103、第一变径管108、谐振管细管段109及第二变径管110组成。热端换热器103吸收热量，室温端换热器101放出热量，在回热器102两端构建温度差，使回热器102内形成温度梯度。在该温度梯度的作用下，回热器102将热能转化成声功。该热声发动机核心单元产生的声功一部分被谐振管向下一级热声发动机核心单元传递，以维持系统工作；另一部分被对称地从各热声发动机核心单元上的相同位置引出，驱动旋转电机工作。该专利中公布的声学共振型行波热声发动机利用低品位热源，由于温度较低并没有使用热缓冲管。如果将该系统中的热端换热器与温度较高的热源接触，由于没有热缓冲管的作用，热量会大量损耗在谐振管、直线发电机等室温部件中，造成系统效率低下。此外，该发明对影响系统性能的声直流损失也未加抑制。总之，该发明不能提供一种高温热源的高效利用方法。

本申请正是基于以上声学共振型行波热声发电系统存在的问题，提出了一种新型的设计，可以满足高温热源高效利用的需求。

发明内容

本发明的技术方案如下：

本发明提供的声学共振型行波热声发电系统，其由至少三台声学共振型行波热声发动机1、至少一台直线电机2和谐振管109组成；所述的至少三台声学共振型行波热声发动机1通过谐振管109首尾相连以构成环路回路；

每台所述的声学共振型行波热声发动机1均包括：依次相连的主室温端换热器101、回热器102、热端换热器103、热缓冲管105、次室温端换热器107；所述的谐振管109二端分别连接第一变径管108和第二变径管110，所述第一变径管108接于每一台声学共振型行波热声发动机1的次室温端换热器107端，所述的第二变径管110接于每一台声学共振型行波热声发动机1的主室温端换热器101端；其特征在于，还包括：

连接于热端换热器103与热缓冲管105间的热端层流化元件104和连接于热缓冲管105与次室温端换热器107间的室温端层流化元件106；（高温端层流化元件104与室温端层流化元件106的作用是为了减小由于湍流或射流等复杂流动带来的热缓冲管损失）；

所述的直线发电机2由两个对置放置的直线电机组成以减小振动；所述的直线电机由活塞201、支撑单元202、定子线圈203、动子磁体204及外壳205组成；所述的直线发电机2旁接于所述谐振管109上；

所述每台所述的声学共振型行波热声发动机1的热端换热器103与一高于环境温度的高温热源相连以吸收该高温热源的热量形成高温端；所述的主室温端换热器101和次室温端换热器107分别与室温热源相连，将热量释放给环境以形成室温端；在每台所述的声学共振型行波热声发动机1的回热器102上形成温度梯度，在该温度梯度条件下，热能转化成声功；上一台声学共振型行波热声发动机1传递过来的声功在该台每台声学共振型行波热声发动机1的回热器102中得以放大，放大的声功沿着温度梯度的正方向传播，依次经过该台声学共振型行波热声发动机1的热端换热器103、热缓冲管105、次室温端换热器107和第一变径管108向谐振管109及直线发电机2输出；一部分声功驱动直线发电机2的活塞201及动子磁体204做往复运动，动子磁体204在定子线圈203中运动，造成定子线圈203中磁通量的变化；定子线圈203中将产生用以驱动电负载的感应电动势，而完成声功到电能的转化；剩余声功沿所述谐振管109传播到下一台声学共振型行波热声发动机1的主室温端换热器101，并在该下一台声学共振型行波热声发动机1的回热器的温度梯度下放大；如此循环构成声学共振型行波热声发电系统。

所述每台所述的声学共振型行波热声发动机1的热缓冲管105内径与所述热端换热器103及次室温端换热器107的内径相等；由于所述热缓冲管105的两端分别布置有高温端层流化元件104及室温端层流化元件106，可以减少热缓冲管105内由于湍流、射流等复杂流动造成的热量损失。

所述的谐振管109的截面流通面积为每台声学共振型行波热声发动机1回热器102截面流通面积的1/25到1/10，可保持回热器声阻抗较大、减小流动阻力损失。

为抑制行波环路中的直流，还可包括置于所述第二变径管110中的声直流抑制元件111；所述声直流抑制元件111为弹性膜或非对称的喷射泵。

所述的直线发电机2旁接于所述谐振管109的端部或谐振管109上的任意位置处。本发明的声学共振型行波热声发电系统所使用的工质为氦气、氢气、氮气、氩气或它们中两种/多种组分构成的混合气体工质。

所述的声学共振型行波热声发动机1与直线发电机2的数量相同或不相同。可按实际需要调整直线发电机的运行数量。

本发明的优点在于：该声学共振型行波热声发电系统可用于各种不同的热端温度下，通过抑制热缓冲管损失、直流损失等关键措施，有效地提高了整机的性能；同时，由于直线发电机旁接于谐振管上，使得直线发电机与发动机间匹配更为容易，而且实际运行时也可以调节直线发电机的运行数量。因此，本发明的声学共振型行波热声发电系统更具有实用价值和应用前景。

附图说明

图1为现有的声学共振型行波热声发电系统结构示意图；

图2为本发明的声学共振型行波热声发电系统（实施例1）结构示意图；

图3为本发明的声学共振型行波热声发电系统（实施例2）结构示意图；

图4为本发明的声学共振型行波热声发电系统（实施例3）结构示意图；

图5为本发明的声学共振型行波热声发电系统（实施例4）结构示意图。

具体实施方式

本发明的声学共振型行波热声发电系统，可用于各种不同的热端温度下，通过抑制热缓冲管损失、直流损失等关键措施，有效地提高了整机的性能。同时，由于直线发电机旁接于谐振管上，使得直线发电机与发动机间匹配更为容易，而且实际运行时也可以调节直线发电机的运行数量。与现有的技术相比，本发明的声学共振型行波热声发电系统更具有实用价值和应用前景。

下面通过附图及实施例进一步描述本发明。

实施例1：

图2为本发明的声学共振型行波热声发电系统（实施例1）结构示意图。如图2所示，本实施例的声学共振型行波热声发电系统由三台声学共振型行波热声发动机1、三台直线电机2和谐振管109组成；该三台声学共振型行波热声发动机1通过谐振管109首尾相连以构成环路回路；

每台声学共振型行波热声发动机1均包括：依次相连的主室温端换热器101、回热器102、热端换热器103、热缓冲管105、次室温端换热器107；所述的谐振管109二端分别连接第一变径管108和第二变径管110，所述第一变径管108接于每一台声学共振型行波热声发动机1的次室温端换热器107端，所述的第二变径管110接于每一台声学共振型行波热声发动机1的主室温端换热器101端；其特征在于，还包括：

连接于热端换热器103与热缓冲管105间的热端层流化元件104和连接于热缓冲管105与次室温端换热器107间的室温端层流化元件106；高温端层流化元件104与室温端层流化元件106的作用是为了减小由于湍流或射流等复杂流动带来的热缓冲管损失；

每一台直线发电机2由两个对置放置的直线电机组成以减小振动；每一台直线发电机均由直线电机由活塞201、支撑单元202、定子线圈203、动子磁体204及外壳205组成；该三台直线发电机2分别旁接于每根谐振管109上；

每台所述的声学共振型行波热声发动机1的热端换热器103与一高于环境温度的高温热源相连以吸收该高温热源的热量形成高温端；所述的主室温端换热器101和次室温端换热器107分别与室温热源相连，将热量释放给环境以形成室温端；在每台所述的声学共振型行波热声发动机1的回热器102上形成温度梯度，在该温度梯度条件下，热能转化成声功；上一台声学共振型行波热声发动机1传递过来的声功在该台每台声学共振型行波热声发动机1的回热器102中得以放大，放大的声功沿着温度梯度的正方向传播，依次经过该台声学共振型行波热声发动机1的热端换热器103、热缓冲管105、次室温端换热器107和第一变径管108向谐振管109及直线发电机2输出；一部分声功驱动直线发电机2的活塞201及动子磁体204做往复运动，动子磁体204在定子线圈203中运动，造成定子线圈203中磁通量的变化；根据电磁感应原理，定子线圈203中将产生用以驱动电负载的感应电动势，而完成声功到电能的转化；剩余声功沿所述谐振管109传播到下一台声学共振型行波热声发动机1的主室温端换热器101，并在该下一台声学共振型行波热声发动机1的回热器的温度梯度下放大；如此循环构成声学共振型行波热声发电系统。

本实施例中，每台所述的声学共振型行波热声发动机1的热缓冲管105内径与所述热端换热器103及次室温端换热器107的内径相等；由于所述热缓冲管105的两端分别布置有高温端层流化元件104及室温端层流化元件106，这样可以减少热缓冲管105内由于湍流、射流等复杂流动造成的热量损失。

此外，谐振管109的截面流通面积可为每台声学共振型行波热声发动机1回热器102截面流通面积的1/25到1/10，这样可保持回热器声阻抗较大、减小流动阻力损失。还可在第二变径管中放置直流抑制元件111，以抑制直流损失，提高系统性能。

实施例2：

图3为本发明的声学共振型行波热声发电系统（实施例2）结构示意图。如图3所示，本实施例的声学共振型行波热声发电系统由三台声学共振型行波热声发动机1、一台直线电机2和谐振管109组成；该三台声学共振型行波热声发动机1通过谐振管109首尾相连以构成环路回路；与实施例1不同指出在于：本实施例2中整个系统只有一台直线发电机旁接于谐振管一端；

每台声学共振型行波热声发动机1均包含依次相连的主室温端换热器101、回热器102、热端换热器103、热缓冲管105、次室温端换热器107、连接于热端换热器103与热缓冲管105间的热端层流化元件104、连接于热缓冲管105与次室温端换热器107间的室温端层流化元件106；为减小由于流通面积变化带来的流动损失，谐振管109由谐振管细管段及其两端的第一变径管108、第二变径管110组成；第一变径管108与声学共振型行波热声发动机11的次室温端换热器107相连，第二变径管110与下一级声学共振型行波热声发动机1的主室温端换热器101相连，最终形成闭合环形结构，构成声学共振型行波热声发动机；直线发电机2包含两个对置运动的直线电机以减小振动；该直线电机由活塞201、支撑单元202、定子线圈203、动子磁体204及外壳205组成。系统中只有一台直线发电机旁接于一根谐振管的一端并靠近第一变径管108。

所述的声学共振型行波热声发动机1的热端换热器103与高温热源相连，吸收热源的热量形成高温端；所述的主室温端换热器101和次室温端换热器107分别与室温温源相连，将热量释放给环境的形成室温端，在回热器102上形成温度梯度。在该温度梯度条件下，热能转化成声功、上一级声学共振型行波热声发动机1传递过来的声功在回热器102中得以放大；该声功沿着温度梯度的正方向传播，依次经过热端换热器103、热缓冲管105、次室温端换热器107和第一变径管108向外输出。若出口处接有直线发电机，那么一部分声功驱动直线发电机2的活塞201及动子磁体204往复运动，动子磁体204在定子线圈203中运动，造成定子线圈203中磁通量的变化；根据电磁感应原理，定子线圈203中将产生感应电动势，即可驱动电负载，从而完成声功到的电能转化；剩余声功沿谐振管细管段109传播到达下一级声学共振型行波热声发动机1的主室温端换热器，并在其回热器的温度梯度下放大。若出口处无直线发电机，那所有声功沿谐振管细管段传播到达下一级热声发动机核心单元的主室温端换热器，并在声学共振型行波热声发动机1的回热器的温度梯度下放大。如此循环，构成声学共振型行波热声发电系统。

容易想象，系统也可以有两台直线发电机，即三个声学共振型行波热声发动机1驱动两台直线发电机2工作；这样，使得系统在实际运行时可以根据需求来调整直线发电机的运行数量。

实施例3：

图4为本发明的声学共振型行波热声发电系统（实施例3）结构示意图。如图4所示，与其它实施例不同，本实施例包含有四个声学共振型行波热声发动机1，四台直线发电机，且在每一个谐振管上均旁接一台直线发电机。实际上，直线发电机2可以分别旁接于谐振管109的端部或谐振管109上的任意位置处。

实施例4：

图5为本发明的声学共振型行波热声发电系统（实施例4）结构示意图。如图5所示，与其它实施例不同，本实施例的声学共振型行波热声发电系统由六台声学共振型行波热声发动机1、六台直线电机2和六段谐振管109组成；该六台声学共振型行波热声发动机1通过谐振管109首尾相连以构成环路回路；且在每一个谐振管上均旁接一台直线发电机2。

另外，本发明的声学共振型行波热声发电系统所使用的工质可为氦气、氢气、氮气、氩气或它们中两种/多种组分构成的混合气体工质；改变气体工质的组分可以在不改变系统尺寸的前提下改变系统的工作频率，工作频率的改变对于共振型行波热声发动机与直线发电机间实现高效耦合起着重要的作用。

理论上，可以将任意多个且在每一个谐振管上均旁接一台直线发电机串联组成环路，实际情况下需要结合回热器处的声场相位和系统的功率密度等条件，选择合适的台数。

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 (7)

1.一种声学共振型行波热声发电系统，其由至少三台声学共振型行波热声发动机（1）、至少一台直线电机（2）和谐振管（109）组成；所述的至少三台声学共振型行波热声发动机（1）通过谐振管（109）首尾相连以构成环路回路；

每台所述的声学共振型行波热声发动机（1）均包括：依次相连的主室温端换热器（101）、回热器（102）、热端换热器（103）、热缓冲管（105）、次室温端换热器（107）；所述的谐振管（109）二端分别连接第一变径管（108）和第二变径管（110），所述第一变径管（108）接于每一台声学共振型行波热声发动机（1）的次室温端换热器（107）端，所述的第二变径管（110）接于每一台声学共振型行波热声发动机（1）的主室温端换热器（101）端；其特征在于，还包括：

连接于热端换热器（103）与热缓冲管（105）间的热端层流化元件（104）和连接于热缓冲管（105）与次室温端换热器（107）间的室温端层流化元件（106）；

所述的直线发电机（2）由两个对置放置的直线电机组成；所述的直线电机由活塞（201）、支撑单元（202）、定子线圈（203）、动子磁体（204）及外壳（205）组成；所述的直线发电机（2）旁接于所述谐振管（109）上；

所述每台所述的声学共振型行波热声发动机（1）的热端换热器（103）与一高于环境温度的高温热源相连以吸收该高温热源的热量形成高温端；所述的主室温端换热器（101）和次室温端换热器（107）分别与室温热源相连，将热量释放给环境以形成室温端；在每台所述的声学共振型行波热声发动机（1）的回热器（102）上形成温度梯度，在该温度梯度条件下，热能转化成声功；上一台声学共振型行波热声发动机（1）传递过来的声功在该台每台声学共振型行波热声发动机（1）的回热器（102）中得以放大，放大的声功沿着温度梯度的正方向传播，依次经过该台声学共振型行波热声发动机（1）的热端换热器（103）、热缓冲管（105）、次室温端换热器（107）和第一变径管（108）向谐振管（109）及直线发电机（2）输出；一部分声功驱动直线发电机（2）的活塞（201）及动子磁体（204）做往复运动，动子磁体（204）在定子线圈（203）中运动，造成定子线圈（203）中磁通量的变化；定子线圈（203）中将产生用以驱动电负载的感应电动势，而完成声功到电能的转化；剩余声功沿所述谐振管（109）传播到下一台声学共振型行波热声发动机（1）的主室温端换热器（101），并在该下一台声学共振型行波热声发动机（1）的回热器的温度梯度下放大；如此循环构成声学共振型行波热声发电系统。

2.按权利要求书1所述的声学共振型行波热声发电系统，其特征在于，所述每台所述的声学共振型行波热声发动机（1）的热缓冲管（105）内径与所述热端换热器（103）及次室温端换热器（107）的内径相等。

3.按权利要求书1所述的声学共振型行波热声发电系统，其特征在于，所述的谐振管（109）的截面流通面积为每台声学共振型行波热声发动机（1）的回热器（102）截面流通面积的1/25到1/10。

4.按权利要求书1所述的声学共振型行波热声发电系统，其特征在于，还包括置于所述第二变径管（110）中的声直流抑制元件（111）；所述声直流抑制元件（111）为弹性膜或非对称的喷射泵。

5.按权利要求书1所述的声学共振型行波热声发电系统，其特征在于，所述的直线发电机（2）旁接于所述谐振管（109）的端部或谐振管（109）上的任意位置处。

6.按权利要求书1所述的声学共振型行波热声发电系统，其特征在于，所使用的工质为氦气、氢气、氮气、氩气或它们中两种/多种组分构成的混合气体工质。

7.按权利要求书1所述的声学共振型行波热声发电系统，其特征在于，所述的声学共振型行波热声发动机（1）与直线发电机（2）的数量相同或不相同。

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