CN104214062A - 旋转动力驱动的热声发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转动力驱动的热声发电系统，包括热端换热器、板叠或回热器、冷端换热器及转化旋转动力的发电装置，其中热端换热器和冷端换热器提供温差环境，板叠或回热器加强内部工质换热，将吸收到的热能转化为内部工质气流交变振荡的声能，转化旋转动力的发电装置用于将交变气流振荡转化为同向旋转运动，驱动旋转电机进行电能输出。本发明提供的旋转动力驱动的热声发电系统，可实现将吸收的热能转化为交变气体振荡的声能，最终以旋转动力的形式驱动旋转电机进行电能输出，具有制造成本低、运行性能稳定高效，实践操作性强的特点，便于热声发电技术的发展与推广。

Description

旋转动力驱动的热声发电系统

技术领域

本发明涉及一种热声发电系统，特别是涉及旋转动力驱动的热声发电系统。

背景技术

针对现有热声发电系统中采用直线发电机将热声发动机产生的往复气体振荡转为切割磁场的直线运动进行发电的方式，虽然其具有方式直接、结构部件少的优点，但直线发电机成本高、稳定性弱于旋转电机，且大振动位移的直线电机难实现，导致引出声功能力有限，制约了热声发电系统功率的提高，目前使用直线电机的单个热声发电系统发电功率都在千瓦级内，不利于热声发电技术的发展与推广。

另外将热声发动机中产生的交变气流振荡通过自整流透平技术转换成同向旋转运动再驱动负载的热声发电系统，因其结构复杂、对于透平装置的叶片等部件制造技术要求高等问题，也没有得到广泛的实际应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有热声发电系统中，采用直线发电机存在的成本高、稳定性差于旋转电机、大功率实现困难的缺点，以及采用自整流透平技术存在设计制造要求高、结构复杂不利于实际应用的问题，提供一种旋转动力驱动的热声发电系统，将吸收的热能转化为交变气流振荡的声能，最终以旋转动力的形式驱动旋转电机进行电能输出，实现制造成本低、运行稳定且高效的换能，且易实现大功率化，利于热声发电技术的实际应用与推广。

为实现以上目的，本发明技术方案如下： 

   一种旋转动力驱动的热声发电系统，其包括热端换热器、板叠或回热器和冷端换热器，及转化旋转动力的发电装置，其中热端换热器和冷端换热器提供温差环境，板叠或回热器加强内部工质换热，将吸收到的热能转化为内部工质气流交变振荡的声能，另外转化旋转动力的发电装置使用活塞引出交变气流振荡的直线运动，并通过曲柄连杆转化为同向旋转运动，最终驱动旋转电机输出电能。

根据所述的发电装置相对于热声发电系统的设置形式分为外置式和内置式。

所述的外置式发电装置中电机处于热声发电系统外部，其密封装置为轴向密封件，用于引出旋转轴并隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境。

所述的内置式发电装置中电机处于热声发电系统内部，其密封装置为真空引线接头，用于引出电机导线并隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境。

该热声发电系统为半波长或四分之一波长驻波型热声发电系统，其结构还包括，连接在冷端换热器之后的谐振管，所述的转化旋转动力的发电装置位于谐振管中。

所述的热声发电系统为对置式驻波型热声发电系统，其结构还包括，连接在两端冷端换热器之间的谐振管，所述的转化旋转动力的发电装置位于谐振管中。

所述的热声发电系统为半波长或四分之一波长行波型热声发电系统，其结构还包括，位于热端换热器之后的热缓冲管和次冷却器、连接次冷却器与冷端换热器的反馈回路、以及位于次冷却器与反馈回路连接处的谐振管，所述的转化旋转动力的发电装置位于谐振管或反馈回路中。

所述的热声发电系统为纯环路行波型热声发电系统，其结构还包括，位于热端换热器之后的热缓冲管及次冷却器，以及连接次冷却器与冷端换热器的反馈回路，所述的转化旋转动力的发电装置位于反馈回路中。

所述的热声发电系统为对置式行波型热声发电系统，其结构还包括，位于热端换热器之后的热缓冲管和次冷却器、连接次冷却器与冷端换热器的反馈回路，以及连接两端反馈回路的谐振管，所述的转化旋转动力的发电装置位于谐振管中。

本发明的有益效果：由以上技术方案可知，本发明提供的旋转动力驱动的热声发电系统，可实现将吸收的热能转化为交变气流振荡的声能，最终以旋转动力的形式驱动旋转电机进行电能输出，适用于传统燃料能源、大型工业废热及太阳能等高低品位热源。曲柄连杆传动方式可靠，旋转电机技术成熟，较直线发电机稳定，使得该热声发电系统具有制造成本低、运行性能稳定高效，实践操作性强的特点，同时曲柄连杆机构和旋转电机适用功率范围广，更容易实现系统大型化，一定程度上减小了热声发电系统的体积，利于热声发电技术的应用与推广。

下面通过具体事例并结合附图对本发明做进一步的描述。

附图说明

图1A为本发明利用旋转动力转化的热声发电系统实施例一的结构示意图；

图1B为本发明利用旋转动力转化的热声发电系统实施例一的外置式发电装置结构示意图；

图1C为本发明利用旋转动力转化的热声发电系统实施例一的内置式发电装置结构示意图；

图2为本发明利用旋转动力转化的热声发电系统实施例二的结构示意图；

图3A为本发明利用旋转动力转化的热声发电系统实施例三的结构示意图；

图3B为本发明利用旋转动力转化的热声发电系统实施例三的多端口输出热声发电系统的结构示意图；

图4为本发明利用旋转动力转化的热声发电系统实施例四的结构示意图；

图5为本发明利用旋转动力转化的热声发电系统实施例五的结构示意图。

其中图标：1—热端换热器；2—板叠或回热器；3—冷端换热器；4—谐振管；5—转化旋转动力的发电装置；6—热缓冲管；7—次冷却器；8—反馈回路；

51—活塞；52—连杆；53—曲柄或飞轮；54—轴承；55—轴向密封件；56—旋转电机；57—真空引线接头。

具体实施方式

本发明涉及的旋转动力驱动的热声发电系统，包括常规热声发动机具有的热端换热器1、板叠或回热器2、冷端换热器3，还有用于转化旋转动力的发电装置5，所述的发电装置5用于将交变气流振荡转化为同向旋转运动，以驱动旋转电机56进行电能输出。利用该热声发电系统，相比于现有的直线电机发电技术和自整流透平技术具有制造成本更低、性能稳定高效的特点，并且适用功率范围广，容易实现大型化，具有广泛的适应性与实践性。下面通过在各类热声系统上的使用范例，详细介绍该热声发电系统的结构特点。

 实施例一

如图1A所示，为旋转动力驱动的热声发电系统实施例一的结构示意图。该热声发电系统为半波长或四分之一波长驻波型，包括热端换热器1、板叠或回热器2、冷端换热器3、谐振管4，及转化旋转动力的发电装置5。该发电装置5的结构如图1B所示，包括活塞51、连杆52、曲柄53、轴承54、轴向密封件55及旋转电机56。

其工作原理为：首先对该热声系统的热端换热器1进行热量供应和冷端换热器3进行冷却，在此之间建立温度梯度，回热器2加强内部工质换热，当温度梯度超过临界温度梯度时，热声系统开始工作，即将吸收的热能转化为交变气流振荡的声能，振荡气流不断推动活塞51来回运动，通过连杆52和曲柄53传动使之转化为同向旋转运动，继而驱动旋转电机56进行发电，轴承54用于支撑固定旋转轴，轴向密封件55用于隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境。另外，曲柄53可以用飞轮结构替代。

根据所述发电装置5中旋转电机56相对于热声系统的设置形式，可分为外置式和内置式。外置式发电装置结构示意图如图1B所示，而内置式发电装置的结构示意图如图1C所示，包括活塞51、连杆52、曲柄53、轴承54、旋转电机56及真空引线接头57。其工作原理与图1B中所示的外置式发电装置的工作原理相同，不同点在于：内置式使用真空引线接头57，引出旋转电机导线输出电能，同时隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境。

本实施例中，在半波长或四分之一波长驻波型热声系统中设置转化旋转动力的发电装置构成的热声发电系统，可实现将吸收的热能转化为交变气流振荡的声能，最终以旋转运动的形式驱动旋转电机进行电能输出，适用于传统燃料能源、大型工业废热及太阳能等高低品位热源。曲柄连杆传动方式可靠，旋转电机技术成熟，较直线发电机稳定，使得该热声发电系统具有制造成本低、运行性能稳定高效，实践操作性强的特点。另外内置式发电装置使用真空引线接头的静密封方式避免了轴向密封出现的动摩擦损失，使得热声发电系统更加高效稳定运行。

 实施例二

如图2所示，为旋转动力驱动的热声发电系统实施例二的结构示意图。该热声系统为对置式驻波热声系统，包括热端换热器1、板叠2、冷端换热器3、谐振管4及在谐振管相连处设有的转化旋转动力的发电装置5，所不同的是该驻波热声系统由两个工作机理相同的驻波型热声发动机对接而成，共用一个谐振管4。

其工作原理与图1A所示的热声发电系统的工作原理相同，不同的是发电装置5两端都有气流振荡，不断推动两个活塞51来回运动，通过连杆52和曲柄53传动使之转化为同向转动，以驱动旋转电机56进行电能输出。可根据两端气体振荡相位不同调整两边连杆连接曲柄或飞轮位置的角度差。另外用于两端不同热源温度梯度下的热声发电系统可对应选择两端连杆52与不同半径下的曲柄或飞轮进行连接以适应不同振幅下的气流振荡。

根据所述发电装置5中旋转电机56相对于热声系统的设置形式，发电装置5既可以是图2所示的内置式，也可以为图1B所示的外置式。不同的是外置式使用轴向密封件55隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境，内置式使用真空引线接头57，引出旋转电机导线输出电能，同时隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境。

本实施例中，在对置式驻波型热声系统中设置转化旋转动力的发电装置构成的热声发电系统，可实现将吸收的热能转化为交变气流振荡的声能，最终以旋转动力的形式驱动旋转电机进行电能输出，且可以同时工作在两个不同温度热源的情况下，适用于传统燃料能源、大型工业废热及太阳能等高低品位热源。曲柄连杆传动方式可靠，旋转电机技术成熟，较直线发电机稳定，使得该热声发电系统具有制造成本低、运行性能稳定高效，实践操作性强的特点。另外内置式发电装置使用真空引线接头的静密封方式避免了轴向密封出现的动摩擦损失，使得热声发电系统更加高效稳定运行。

 实施例三

如图3A所示，为旋转动力驱动的热声发电系统实施例三的结构示意图。该热声系统为半波长或四分之一波长行波型，包括热端换热器1、板叠2、冷端换热器3、热缓冲管6、次冷却器7、反馈回路8、谐振管4，及在谐振管与反馈回路连接处设置的转化旋转动力的发电装置5。

其工作原理为：首先对该热声系统的热端换热器1进行热量供应和冷端换热器3进行冷却，在此之间建立温度梯度，回热器2加强内部工质换热，当温度梯度超过临界温度梯度时，热声系统开始工作，即将吸收的热能转化为交变气流振荡的声能，通过连杆52和曲柄53传动使之转化为同向旋转运动，继而驱动旋转电机56进行发电，轴承54用于支撑固定旋转轴，轴向密封件55用于隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境。另外，曲柄53可以用飞轮结构替代。热缓冲管6用于减少声波的粘性损失，次冷却器7带走多余热量使得声功输出在一个室温范围内，避免高温对发电装置5的影响，反馈回路8连接次冷却器7和冷端换热器3，形成的环路提供行波声场，谐振管提供驻波声场配合环路以提高热声转化效率。

根据所述发电装置5中旋转电机56相对于热声系统的设置形式，发电装置5既可以为图3A所示的内置式，也可以为图1B所示的外置式。不同的是外置式使用轴向密封件55隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境，而内置式使用真空引线接头57，引出旋转电机导线输出电能，同时隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境。

本实例中所述发电装置5不仅可以设置在谐振管与反馈回路连接处，还可以连接在热声发动机处于室温的的任意位置，包括反馈回路8与谐振管4。另外，在所述处于室温的位置可以同时进行多端口输出，如图3B所示，为旋转动力驱动的热声发电系统实施例三的多端口输出热声发电系统的结构示意图，与图3A所示的热声发电系统不同点在于，这是一台热声发动机多端口输出同时驱动多发电装置5的热声发电系统，可用于不同能量等级需求，但其工作原理是相同的。

本实施例中，在半波长或四分之一波长行波型热声系统中反馈回路或谐振管处设置一个或多个转化旋转动力的发电装置构成的热声发电系统，可实现将吸收的热能转化为交变气流振荡的声能，最终以旋转动力的形式驱动旋转电机进行电能输出，适用于传统燃料能源、大型工业废热及太阳能等高低品位热源。曲柄连杆传动方式可靠，旋转电机技术成熟，较直线发电机稳定，使得该热声发电系统具有制造成本低、运行性能稳定高效，实践操作性强的特点。另外内置式发电装置使用真空引线接头的静密封方式避免了轴向密封出现的动摩擦损失，使得热声发电系统更加高效稳定运行。

 实施例四

如图4所示，为旋转动力驱动的热声发电系统实施例四的结构示意图。与图3所示不同点在于，这是一台纯环路行波热声发电系统，包括热端换热器1、板叠2、冷端换热器3、热缓冲管6、次冷却器7、反馈回路8，及用于转化旋转动力的发电装置5。

其工作原理与图3A所示的热声发电系统的工作原理相同，不同点在于：本实施例中的热声发电系统没有谐振管，声波主要是以行波的形式存在，由环路引出的声能全由发电装置5进行接收转换。

根据所述发电装置5中旋转电机56相对于热声系统的设置形式，发电装置5既可以为图4所示的内置式，也可以为图1B所示的外置式。不同的是外置式使用轴向密封件55隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境，而内置式使用真空引线接头57，引出旋转电机导线输出电能，同时隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境。

本实施例中，在纯环路行波热声系统中设置转化旋转动力的发电装置所构成的热声发电系统，可实现将吸收的热能转化为交变气流振荡的声能，最终以旋转动力的形式驱动旋转电机进行电能输出，适用于传统燃料能源、大型工业废热及太阳能等高低品位热源。曲柄连杆传动方式可靠，旋转电机技术成熟，较直线发电机稳定，使得该热声发电系统具有制造成本低、运行性能稳定高效，实践操作性强的特点。另外内置式发电装置使用真空引线接头的静密封方式避免了轴向密封出现的动摩擦损失，使得热声发电系统更加高效稳定运行。

此外，由于系统中不存在谐振管，从环路中引出的声能全都由发电装置进行转换，相比带有谐振管的热声系统减少了谐振管的声功耗散，大大提高了热声发电系统的功率水平。目前热声发电系统中使用的直线电机大振动位移难以实现，导致引出声功能力有限，单个热声发电系统发电功率都在千瓦级内，因此不适用于纯环路大功率热声发电系统。而本发明很好的克服了这个问题，曲柄连杆机构与旋转电机适用功率范围大，更容易实现热声发电系统大型化。同时谐振管占据了热声系统的主要空间，除去谐振管后的热声发电系统在尺寸上大大减小，增添了该热声发电系统应用的灵活性。

 实施例五

如图5所示，为利用旋转动力转化的热声发电系统实施例五的结构示意图。该热声系统为对置式行波热声系统，包括热端换热器1、回热器2、冷端换热器3、谐振管4、热缓冲管6、次冷却器7、反馈回路8，及在谐振管相连处设有的转化旋转动力的发电装置5，所不同的是该热声系统由两个工作机理相同的行波热声发动机对接而成，共用一个谐振管4。

根据所述发电装置5中旋转电机56相对于热声系统的设置形式，发电装置5既可以为图5所示的内置式，也可以为图1B所示的外置式。不同的是外置式使用轴向密封件55隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境，而内置式使用真空引线接头57，引出旋转电机导线输出电能，同时隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境。

其工作原理与图3A所示的热声发电系统的工作原理相同，不同的是发电装置5两端都有气流振荡，不断推动两个活塞51来回运动，通过连杆52和曲柄53传动使之转化为同向转动，以驱动旋转电机56进行电能输出。可根据两端气体振荡相位不同调整两边连杆连接曲柄或飞轮位置的角度差，另外用于两端不同热源温度梯度下的热声发电系统可对应选择两端连杆52与不同半径下的曲柄或飞轮进行连接以适应不同振幅下的气流振荡。

本实施例中，在对置式行波型热声系统的谐振管相连处设置转化旋转动力的发电装置所构成的热声发电系统，可实现将吸收的热能转化为交变气流振荡的声能，最终以旋转动力的形式驱动旋转电机进行电能输出，且可以同时工作在两个不同温度热源的情况下，适用于传统燃料能源、大型工业废热及太阳能等高低品位热源。曲柄连杆传动方式可靠，旋转电机技术成熟，较直线发电机稳定，使得该热声发电系统具有制造成本低、运行性能稳定高效，实践操作性强的特点。另外内置式发电装置使用真空引线接头的静密封方式避免了轴向密封出现的动摩擦损失，使得热声发电系统更加高效稳定运行。

最后需要说明的是：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描述的技术方案进行修改或对其中部分技术进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种旋转动力驱动的热声发电系统，其特征在于，其包括热端换热器、板叠或回热器和冷端换热器，及转化旋转动力的发电装置，其中热端换热器和冷端换热器提供温差环境，板叠或回热器加强内部工质换热，将吸收到的热能转化为内部工质气流交变振荡的声能，另外转化旋转动力的发电装置使用活塞引出交变气流振荡的直线运动，并通过曲柄连杆转化为同向旋转运动，最终驱动旋转电机输出电能。

2.根据权利要求1所述的旋转动力驱动的热声发电系统，其特征在于，根据所述的发电装置相对于热声发电系统的设置形式分为外置式和内置式。

3.根据权利要求2所述的旋转动力驱动的热声发电系统，其特征在于，所述的外置式发电装置中电机处于热声发电系统外部，其密封装置为轴向密封件，用于引出旋转轴并隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境。

4.根据权利要求2所述的旋转动力驱动的热声发电系统，其特征在于，所述的内置式发电装置中电机处于热声发电系统内部，其密封装置为真空引线接头，用于引出电机导线并隔绝热声系统内部高压气体与外部常压环境。

5.根据权利要求1所述的旋转动力驱动的热声发电系统，其特征在于，该热声发电系统为半波长或四分之一波长驻波型热声发电系统，其结构还包括，连接在冷端换热器之后的谐振管，所述的转化旋转动力的发电装置位于谐振管中。

6.根据权利要求1所述的旋转动力驱动的热声发电系统，其特征在于，所述的热声发电系统为对置式驻波型热声发电系统，其结构还包括，连接在两端冷端换热器之间的谐振管，所述的转化旋转动力的发电装置位于谐振管中。

7.根据权利要求1所述的旋转动力驱动的热声发电系统，其特征在于，所述的热声发电系统为半波长或四分之一波长行波型热声发电系统，其结构还包括，位于热端换热器之后的热缓冲管和次冷却器、连接次冷却器与冷端换热器的反馈回路、以及位于次冷却器与反馈回路连接处的谐振管，所述的转化旋转动力的发电装置位于谐振管或反馈回路中。

8.根据权利要求1所述的旋转动力驱动的热声发电系统，其特征在于，所述的热声发电系统为纯环路行波型热声发电系统，其结构还包括，位于热端换热器之后的热缓冲管和次冷却器，以及连接次冷却器与冷端换热器的反馈回路，所述的转化旋转动力的发电装置位于反馈回路中。

9.根据权利要求1所述的旋转动力驱动的热声发电系统，其特征在于，所述的热声发电系统为对置式行波型热声发电系统，其结构还包括，位于热端换热器之后的热缓冲管和次冷却器、连接次冷却器与冷端换热器的反馈回路，以及连接两端反馈回路的谐振管，所述的转化旋转动力的发电装置位于谐振管中。