CN104912690B - 声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置 - Google Patents
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Abstract
一种声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置，其由至少三个热声发动机单元、至少一个压电陶瓷发电单元和连接管组成；每一热声发动机单元通过连接管首尾相连成环路，每一压电陶瓷发电单元旁接于或者置入连接管中；每一热声发动机单元包括依次相连的直流抑制器、主水冷器、回热器、加热器、高温端层流化元件、热缓冲管、室温端层流化元件和次水冷器；当压电陶瓷发电单元置入连接管中时，其由金属薄膜和压电陶瓷组成；当压电陶瓷发电单元旁接于连接管时，其由活塞、连杆及压电陶瓷等组成；本发电装置在高频下声场相位分布合理，功率密度高，与现有热声发电技术相比，成本低，简单可靠，适于小功率领域，有很好的实用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种热声发电装置，尤其涉及一种声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置。
背景技术
热声发动机是一种利用管道和换热器构筑声场，并通过工作介质和回热器固体填料之间的相互作用将外部热能转化为声能的装置，具有无机械运动部件、可靠性高、寿命长和潜在热效率高等优点，受到人们的广泛关注。而热声发电技术正是将热声发动机与声电转换装置耦合而成的一种的新型发电技术。根据热声转换的声场特性，热声发动机分为行波热声发动机和驻波热声发动机。行波热声发动机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潜在热效率高，成为热声发动机研究的一个重要方向。
图1是传统的带驻波谐振管的环路行波热声发动机驱动直线电机的结构示意图。该行波热声发动机主要由行波环路和谐振管16组成，其中行波环路由反馈管17、主冷却器4、回热器5、加热器6、热缓冲管8和次冷却器10组成。回热器是热声转换的核心场所，而反馈管起着声场调相作用，决定着回热器内的声场结构。从声场性质来看，这是一台高效行/驻波混合型热声发动机。该热声发动机在驻波谐振管末端引入了局部行波回路，使其性能获得很大提升。但是，该行波热声发动机有很大一部分声功在驻波谐振管中耗散，并且由于谐振管尺寸较大，系统功率密度较低，制约了其进一步应用。
图2为专利CN103758657A公布的一种声学共振型热声发电系统结构示意图。该行波热声发电系统主要由至少三个热声发动机单元1、至少一台直线电机16和连接管15组成，其中热声发动机单元由直流抑制器3、主水冷器4、回热器5、加热器6、高温端层流化元件7、热缓冲管8、室温端层流化元件9和次冷却器10组成。相比于图1的系统，该系统中连接管的尺寸大大减小，结构紧凑；在连接管内的声功能被回收到下一个单元，具有潜在高效率；在热缓冲管8两端增加了高温端层流化元件(丝网)7和室温端层流化元件(丝网)9，较好的解决了热声发动机系统中冷热气流混合引起的热量损失问题；并且，该系统安装了环路直流抑制器3，消除了系统的直流；由于以上改变，该行波热声发动机的性能有明显提高。但是，这种系统接入了多个直线电机16，装置复杂，制作成本高，可靠性差，且存在电磁干扰。
发明内容
本发明目的在于提供一种声学共振多级行波热声耦合压电陶瓷的发电系统。相比于直线电机发电技术，采用压电陶瓷发电成本低，可靠性高，不存在电磁干扰；另外，直线电机在几百至几千赫兹高频下的效率较低频时下降明显，因此不适用于高频下的热声发电。而本发明利用了压电陶瓷在高频下性能稳定等优点，适合高频下工作。本发明同时具有声学共振热声发动机的结构紧凑、潜在效率高等优点，在余热或废热回收、便携式电源等领域具有广阔的应用前景。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷发电装置，包括：
至少三个热声发动机单元1；
至少三个连接管15；其特征在于，还包括至少一个压电陶瓷发电单元2；
所述至少三个热声发动机单元1和至少一个压电陶瓷发电单元2通过所述至少三个连接管15相连形成环路结构；
所述至少一个压电陶瓷发电单元2旁接于至少三个连接管15中至少一个连接管上；至少一个压电陶瓷发电单元2的每一压电陶瓷发电单元由一对相对对称放置的内腔相通的缸体，置于该一对内腔相通的缸体内的连杆12和裝于所述连杆12两端的压电陶瓷堆11以及裝于所述连杆12中段的二缸体之间的活塞13组成,所述压电陶瓷堆11由压电陶瓷片叠摞而成；
所述每一热声发动机单元由依次串联的直流抑制器3、主冷却器4、回热器5、加热器6、高温端层流化元件7、热缓冲管8、室温端层流化元件9和次冷却器10构成；所述高温端层流化元件7位于所述热缓冲管8高温侧，所述室温端层流化元件9位于所述热缓冲管8室温侧，以用于抑制射流；
所述每一热声发动机单元中的加热器6与热源相连吸收热源的热量；所述每一热声发动机单元的主冷却器4和次冷却器10通过水冷器冷却，以维持在室温范围；每一热声发动机单元的回热器5上形成温度梯度；在所述温度梯度条件下，每一热声发动机单元的回热器5中工作气体与其中的固体填料间产生热声效应，装置中产生往复振荡的压力波动，输入到加热器6的热量转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播并放大；放大后的声功一部分被压电陶瓷发电单元2消耗，其余部分传递到下一热声发动机单元中单元；如此循环，实现外部热能向电能的稳定转换。
所述压电陶瓷发电单元2旁接于连接管15的任意位置处。
所述声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置中使用的工质为氦气、氮气或其组合。
所述压电陶瓷发电单元发电原理如下：当压电陶瓷发电单元2串接于连接管15中时，连接管中往复振荡的压力波动直接施加于附在金属薄膜14上的压力陶瓷堆11上，压电陶瓷堆11受到压力波动的引起的应力发生压电效应，在压电陶瓷堆11两端面间产生电压。
当压电陶瓷发电单元2旁接于连接管15中时，旁路中往复振荡的压力波动施加于活塞13上，连杆12的杠杆效应使连杆两端产生放大的往复应力，该应力施加在垂直于施力方向的压电陶瓷堆11上；由于压电效应，每一压电陶瓷堆的两端产生电压。
所述声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置的工作频率为300Hz-3000Hz。
所述声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置中使用的工质为氦气、氮气或其组合。
本发明的声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置的优点在于：系统结构紧凑，环路中各个热声发动机单元均可实现行波相位，潜在效率高；相比采用直线电机发电技术，本发明的压电陶瓷发电成本低廉，制作简单，可靠性高，在高频下性能具有很好的稳定性。
附图说明
图1是带谐振管的环路行波热声发动机结构示意图；
图2是声学共振型行波热声发电系统结构示意图；
图3是本发明的声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置(实施例1)结构示意图；
图4是本发明的声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置(实施例2)结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置结构简单、紧凑，各个热声发动机单元均处于行波相位，潜在热效率高；采用压电陶瓷发电，相比于直线电机成本低、制作简单、可靠性高。
下面通过附图及实施例进一步描述本发明。
实施例1
图3是本发明的一种声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置(实施例1)的结构示意图。如图3所示，本实施例1的系统其由三个热声发动机单元1、三个压电陶瓷发电单元2和连接管15组成；三个热声发动机单元1通过连接管15首尾相连构成环路；压电陶瓷发电单元2置入连接管15中。
每一热声发动机单元1由依次串联的主冷却器4、回热器5、加热器6、高温端层流化元件7、热缓冲管8、室温端层流化元件9和次冷却器10构成；所述高温端层流化元件7位于热缓冲管8高温侧，所述室温端层流化元件9位于热缓冲管8室温侧，用于抑制射流；所述压电陶瓷发电单元2每一压电陶瓷发电单元由二片金属薄膜14和夹装于所述二片金属薄膜14之间的压电陶瓷堆11组成，压电陶瓷堆11通过螺栓或者胶粘等方式附着在金属薄膜14上；
所述热声发动机单元1中的加热器6与外部热源相连；所述热声发动机单元的主冷却器4和次冷却器10通过水冷器冷却，维持在室温范围；所述热声发动机单元的回热器5上形成温度梯度，在该温度梯度条件下，回热器5中工作气体与其内固体填料间产生热声效应，装置中产生往复振荡的压力波动，输入到加热器6的热量转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播；声功传播和放大过程如下：声功在#1热声发动机单元回热器中放大，放大后的声功一部分被压电陶瓷发电单元消耗，其余部分传递到#2热声发动机单元中；传递到2#热声发动机单元中的声功在回热器中被放大，放大后的声功一部分被压电陶瓷发电单元消耗，其余部分传递到#3热声发动机单元中；传递到#3热声发动机单元中的声功在回热器中被放大，放大后的声功一部分被压电陶瓷发电单元消耗，其余部分传递到#1热声发动机单元中，如此循环，使得外部热源的热量稳定转换为电能。
所述压电陶瓷发电单元2发电原理如下：连接管15中往复振荡的压力波动直接施加于附在金属薄膜14上的压力陶瓷堆11上，压电陶瓷受到压力波动引起的应力而产生压电效应，在压电陶瓷两端面间产生电压，继而通过外部电负载输出电能。
实施例2：
图4是本发明的声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置(实施例2)的结构示意图。如图4所示，本实施例2的系统其由三个热声发动机单元1、三个压电陶瓷发电单元2和连接管15组成；三个热声发动机单元1通过连接管15首尾相连构成环路；压电陶瓷发电单元2旁接于连接管15上。
所述热声发动机单元1由依次串联的直流抑制器3、主冷却器4、回热器5、加热器6、高温端层流化元件7、热缓冲管8、室温端层流化元件9和次冷却器10构成；所述高温端层流化元件7位于热缓冲管8高温侧，所述室温端层流化元件9位于热缓冲管8室温侧，用于抑制射流；每一压电陶瓷发电单元由一对相对对称放置的内腔相通的缸体，置于该一对内腔相通的缸体内的连杆12和裝于所述连杆1二端的压电陶瓷堆11以及裝于所述连杆12中段的二缸体之间的活塞13组成；压电陶瓷11通过螺栓或者胶粘等方式附着在缸体壁面上。
所述热声发动机单元1中的加热器6与外部热源相连，吸收热源的热量；所述热声发动机单元的主冷却器4和次冷却器10通过水冷器冷却，维持在室温范围；所述热声发动机单元的回热器5上形成温度梯度,在该温度梯度条件下，回热器5中工作气体与固体填料间产生热声效应，系统中产生往复振荡的压力波动，输入到加热器6的热量转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播；声功传播和放大过程如下：声功在#1热声发动机单元回热器中放大，放大后的声功一部分被压电陶瓷发电单元消耗，其余部分传递到#2热声发动机单元中；传递到#2热声发动机单元中的声功在回热器中被放大，放大后的声功一部分被压电陶瓷发电单元消耗，其余部分传递到#3热声发动机单元中；传递到#3热声发动机单元中的声功在回热器中被放大，放大后的声功一部分被压电陶瓷发电单元消耗，其余部分传递到#1热声发动机单元中，如此循环，使得外部热源的热量稳定转换为电能。
所述压电陶瓷发电单元2发电原理如下：旁路中往复振荡的压力波动首先施加于活塞13上，由于连杆12的杠杆效应使连杆的两端产生放大的往复应力，该应力施加在垂直于施力方向的上下压电陶瓷堆11上，由于压电效应，每一压电陶瓷的两端产生电压；与实施例1不同，实施例2中的压电陶瓷发电单元能够有效放大施加在压电陶瓷上的压力，具有更高的发电功率和效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (3)
1.一种声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷发电装置，其包括：
至少三个热声发动机单元(1)；
至少三个连接管(15)；其特征在于，还包括至少一个压电陶瓷发电单元(2)；
所述至少三个热声发动机单元(1)和至少一个压电陶瓷发电单元(2)通过所述至少三个连接管(15)相连形成环路结构；
所述至少一个压电陶瓷发电单元(2)旁接于至少三个连接管(15)中至少一个连接管上；至少一个压电陶瓷发电单元(2)的每一压电陶瓷发电单元由一对相对对称放置的内腔相通的缸体，置于该一对内腔相通的缸体内的连杆(12)和裝于所述连杆(12)两端的压电陶瓷堆(11)以及裝于所述连杆(12)中段的二缸体之间的活塞(13)组成,所述压电陶瓷堆(11)由压电陶瓷片叠摞而成；
所述每一热声发动机单元由依次串联的直流抑制器(3)、主冷却器(4)、回热器(5)、加热器(6)、高温端层流化元件(7)、热缓冲管(8)、室温端层流化元件(9)和次冷却器(10)构成；所述高温端层流化元件(7)位于所述热缓冲管(8)高温侧，所述室温端层流化元件(9)位于所述热缓冲管(8)室温侧，以用于抑制射流；
所述每一热声发动机单元中的加热器(6)与热源相连吸收热源的热量；所述每一热声发动机单元的主冷却器(4)和次冷却器(10)通过水冷器冷却，以维持在室温范围；每一热声发动机单元的回热器(5)上形成温度梯度；在所述温度梯度条件下，每一热声发动机单元的回热器(5)中工作气体与其中的固体填料间产生热声效应，装置中产生往复振荡的压力波动，输入到加热器(6)的热量转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播并放大；放大后的声功一部分被压电陶瓷发电单元(2)消耗，其余部分传递到下一热声发动机单元中单元；如此循环，实现外部热能向电能的稳定转换。
2.按权利要求1所述的声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷发电装置，其特征在于，所述压电陶瓷发电单元(2)旁接于连接管(15)的任意位置处。
3.按权利要求1所述的声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷发电装置，其特征在于，所述声学共振多级行波热声发动机耦合压电陶瓷的发电装置中使用的工质为氦气、氮气或其组合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |