CN105840443B - 热声透平发电机及发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热声透平发电机及发电系统，涉及热声发电技术领域，本发明由热声发动机将热能转换为声波形式的机械能，当流体从热声发动机向谐振管运动时，流体通过第一单向选通机构从主通路通过，当流体从谐振管向热声发动机运动时，流体通过第二单向选通机构，流体通过第二单向选通机构从分支通路通过，使得第一透平发电机构中可采用单向透平，从而降低了透平叶片的设计复杂度，降低了流动损失，提高了效率。

Description

热声透平发电机及发电系统

技术领域

本发明涉及热声发电技术领域，特别涉及一种热声透平发电机及发电系统。

背景技术

当一个管道中存在适当的温度梯度和声场时，声波振荡就会自发产生，将热能转化比声波形式的机械能，这就是热声效应。热声效应可以理解为流体在往复运动的过程中，与固体壁面之间发生的热功转换过程。热声发动机就是一种利用热声效应将热能转换为声能的能量转换装置，它具有以下优点：系统中没有运动部件，从根本上消除了常规机械所普遍存在的磨损与振动，运行稳定可靠，使用寿命长；使用热作为能源，可以利用太阳能、废热等作为驱动源，这对于解决偏远地区动力缺乏的场合非常有意义；以惰性气体作为工质，有利于环保，所以具有非常广阔的发展前景。目前，行波热声发动机的热声转换效率已经超过了30％，已经接近内燃机的转换效率。

热声发动机只能将热能转化为声波形式的机械能，而机械能的传输和和使用受到很大的限制，因此热声发动机通常和发电机结合在一起向外输出电能。目前跟热声发动机耦合的发电机一般是直线发电机。热声发动机中产生的声波推动直线发电机活塞做往复运动，发电机的动子因为是跟活塞固定连接在一起，所以也同时进行往复运动，并切割磁力线，从而将机械能转换为电能输出。直线发电机由于活塞采用间隙密封，无任何摩擦，寿命长，同时效率也较高。但是随着热声发电研究的进展，直线电机技术方面存在的不足也日益凸显：(1)直线电机中，受支撑机制决定，活塞往复运动的位移受限，导致线圈切割磁力线的速度只有数米/秒，而电磁转换的功率直接与该速度成正比，因此直线电机的功率不容易做大(2)目前直线电机技术只在相对特殊的一些场合应用，未形成大规模批量生产，间隙密封、板簧支撑、大量采用永磁体等因素导致其成本非常高，与常规旋转式电机比有量级上的差别，对其实际应用产生了严重阻碍；(3)随着功率需求的增大，由于采用直线电机的热声发电系统有谐振要求，活塞面积和动子质量越来越大，在支撑连接等结构强度、磁路设计和系统振动抑制等方面带来的技术难度也越来越大。

为适应热声发电的大功率与低成本实用化发展需求，一种可能的途径就是采用旋转式电机替代直线电机，将动力活塞的往复运动通过曲柄连杆转换为旋转运动，进而带动常规旋转式电机发电，但因为曲柄连杆结构需要使用润滑油，润滑油会严重恶化发动机性能，因此难以采用。另一种途径是将气体的往复运动直接通过双向透平等旋转机械变成轴功进而带动常规旋转电机发电。当气流从前后两个方向分别穿过双向透平时，双向透平均能将流体的动能转化为旋转机械能，但这导致了叶片的设计更加复杂，流动损失增加，因此效率显著降低。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种热声透平发电机及发电系统。

依据本发明的一个方面，提供了一种热声透平发电机，所述热声透平发电机包括：热声发动机和谐振管，所述热声发动机和谐振管之间设有用于通过流体的主通路和至少一条分支通路，所述主通路中设有第一透平发电机构和从所述热声发动机向所述谐振管方向设置的第一单向选通机构，所述分支通路中设有从所述谐振管向所述热声发动机方向设置的第二单向选通机构。

可选地，所述分支通路中设有第二透平发电机构。

可选地，所述分支通路包括第一连通管和第二连通管，所述第一连通管的入口与所述谐振管相连，所述第一连通管的出口与所述主通路的入口相连，所述第二连通管的入口与所述主通路的出口相连，所述第二连通管的出口与所述热声发动机相连。

可选地，所述透平发电机构包括：相互连接的单向透平和旋转发电机。

可选地，所述热声发动机为驻波热声发动机、行波热声发动机或斯特林热声发动机。

可选地，所述单向选通机构为单向阀。

依据本发明的另一个方面，提供了一种发电系统，所述发电系统包括至少两个热声透平发电机，各热声透平发电机首尾相连。

可选地，各热声透平发电机的热声发动机和相邻热声透平发电机的谐振管相连，以实现各热声透平发电机首尾相连。

本发明由热声发动机将热能转换为声波形式的机械能，当流体从热声发动机向谐振管运动时，流体通过第一单向选通机构从主通路通过，当流体从谐振管向热声发动机运动时，流体通过第二单向选通机构，流体通过第二单向选通机构从分支通路通过，使得第一透平发电机构中可采用单向透平，从而降低了透平叶片的设计复杂度，降低了流动损失，提高了效率。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的热声透平发电机的结构示意图；

图2是本发明一种实施方式的热声透平发电机的结构示意图；

图3是本发明一种实施方式的发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明一种实施方式的热声透平发电机的结构示意图；参照图1，所述热声透平发电机包括：热声发动机1和谐振管5，所述热声发动机1和谐振管5之间设有用于通过流体的主通路6和至少一条分支通路7，所述主通路6中设有第一透平发电机构(即由图中的单向透平3-1和旋转发动机4-1组成)和从所述热声发动机向所述谐振管方向设置的第一单向选通机构(即图中的单向阀2-1，当然，还可使用其他单向选通机构，本实施方式对此不加以限制)，所述分支通路7中设有从所述谐振管向所述热声发动机方向设置的第二单向选通机构(即图中的单向阀2-2，当然，还可使用其他单向选通机构，本实施方式对此不加以限制)。

本实施方式由热声发动机1将热能转换为声波形式的机械能，当流体从热声发动机1向谐振管5运动时，流体通过第一单向选通机构从主通路通过，当流体从谐振管5向热声发动机1运动时，流体通过第二单向选通机构，流体通过第二单向选通机构从分支通路通过，使得第一透平发电机构中可采用单向透平，从而降低了透平叶片的设计复杂度，降低了流动损失，提高了效率。

可理解的是，为了使流体从谐振管5向热声发动机1运行时，也能进行发电，从而进一步提高效率，本实施方式中，所述分支通路7中设有第二透平发电机构(即由图中的单向透平3-2和旋转发动机4-2组成)，同样，所述第二透平发电机构也可采用单向透平。

需要说明的是，本实施方式中，单向阀的作用是只允许流体朝一个方向流动。热声发动机将热能转换为声波形式的机械能后，所述热声透平发电机内的流体会产生往复运动。当所述热声透平发电机内的工作流体从左向右运动时，流体从上边的单向阀2-1经过推动上边的透平3-1旋转发电，而下边的分支通路7由于单向阀2-2方向相反，因此流体不能流通；当所述热声透平发电机内的工作流体从右向左运动时，流体从下边的单向阀2-2经过推动下边的透平3-2旋转发电，而上边的主通路6由于单向阀2-1方向相反，因此流体不能流通。这样工作的流体在上下半个工作周期内分别流经不同的通路，推动不同的透平进行发电；而对每个透平来说，流体始终朝一个方向运动，因此透平的结构简单，效率更高。

本实施方式中，所述热声发动机1采用驻波热声发动机，当然，所述热声发动机1还可采用行波热声发动机或斯特林热声发动机，当然，还可采用其他热声发动机，本实施方式对此不加以限制。

图2是本发明一种实施方式的热声透平发电机的结构示意图；参照图2，本实施方式与图1所示的实施方式不同之处在于，无需设置第二透平发电机构，并且热声发动机1采用行波热声发动机，通过连通管的设置，使得流体从谐振管5向热声发动机1运动时，也能利用第一透平发电机构发电，从而对于透平发电机构而言，始终保证流体朝一个方向运动，从而使得透平的结构简单，效率更好。

具体地，本实施方式中，所述分支通路包括第一连通管7-1和第二连通管7-2，所述第一连通管7-1的入口与所述谐振管5相连，所述第一连通管7-2的出口与所述主通路6的入口相连，所述第二连通管7-2的入口与所述主通路6的出口相连，所述第二连通管7-2的出口与所述热声发动机1相连。

本实施方式中，当所述热声透平发电机内的工作流体从左向右运动时，流体从中间的两个单向阀2-1经过推动透平3-1旋转发电，而上、下侧的分支通路由于单向阀2-2方向相反，因此流体不能流通；当所述热声透平发电机内的工作流体从右向左运动时，流体先流经上侧的单向阀2-2，推动透平3-1旋转发电，然后再从下侧的单向阀2-2向左侧继续流动，而中间的两个单向阀2-1因为方向相反，因此流体不能流通。这样工作的流体在上下半个工作周期内分别流经不同的通路，但推动同一个透平进行发电；而对透平来说，流体始终朝一个方向运动，因此透平的结构简单，效率更高。

图3是本发明一种实施方式的发电系统的结构示意图；参照图3，所述发电系统包括三个热声透平发电机，各热声透平发电机首尾相连，当然，本实施方式中以三个热声透平发电机为例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围，还可采用两个、四个或其他数量的热声透平发电机。

在本实施方式中，各热声透平发电机的热声发动机1和相邻热声透平发电机的谐振管5相连，以实现各热声透平发电机首尾相连。

可理解的是，本实施方式中的发电系统包括的热声透平发电机为图2所示的实施方式的热声透平发电机，当然，还可为图1所示的实施方式的热声透平发电机，本实施方式对此不加以限制。

需要说明的是，理论上热声发动机1内的工作介质可以为气体，也可以为液体，某些特殊的液体作为工质时甚至具有更好的热力学性能，但实际的应用难度大，因此目前的热声发动机内基本都是采用气体作为工质。在本系统中，热声发动机1内的工质是气体(比方说氦气)，谐振管5为U型结构，里面容纳了一定体积的液体(图中液位线A的位置以下为液体，可以是水，离子液体，液态金属等；液体不进入热声发动机1，因此不参与热功转换)，液体具有比气体大得多的密度，对应的惯性较大，因此可以起到缩短谐振管长度，降低系统频率的作用。热声发动机1产生的声波推动液体往复运动。本系统中热声透平发电机的结构与实施例2相同，但是他们是置于液体流道内。液体因为具有更大的密度，对于透平来说，更有利于提高其效率。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种热声透平发电机，其特征在于，所述热声透平发电机包括：热声发动机和谐振管，所述热声发动机和谐振管之间设有用于通过流体的主通路和至少一条分支通路，所述主通路中设有第一透平发电机构和从所述热声发动机向所述谐振管方向设置的第一单向选通机构，所述第一单向选通机构设置在所述热声发动机和所述第一透平发电机构之间，所述分支通路中设有从所述谐振管向所述热声发动机方向设置的第二单向选通机构。

2.如权利要求1所述的热声透平发电机，其特征在于，所述分支通路中设有第二透平发电机构。

3.如权利要求1所述的热声透平发电机，其特征在于，所述分支通路包括第一连通管和第二连通管，所述第一连通管的入口与所述谐振管相连，所述第一连通管的出口与所述主通路的入口相连，所述第二连通管的入口与所述主通路的出口相连，所述第二连通管的出口与所述热声发动机相连。

4.如权利要求1～3中任一项所述的热声透平发电机，其特征在于，所述透平发电机构包括：相互连接的单向透平和旋转发电机。

5.如权利要求4所述的热声透平发电机，其特征在于，所述热声发动机为驻波热声发动机、行波热声发动机或斯特林热声发动机。

6.如权利要求1～3中任一项所述的热声透平发电机，其特征在于，所述单向选通机构为单向阀。

7.一种发电系统，其特征在于，所述发电系统包括至少两个权利要求1～6中任一项的热声透平发电机，各热声透平发电机首尾相连。

8.如权利要求7所述的发电系统，其特征在于，各热声透平发电机的热声发动机和相邻热声透平发电机的谐振管相连，以实现各热声透平发电机首尾相连。