CN106593798A - 一种热声发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热声发电装置，其包括：用于将热能转化为声能的热声转换单元、用于将声能转化为动能的液体活塞和用于将动能转化为电能的双向透平发电单元，所述液体活塞与该热声转化单元相连，所述双向透平发电单元装设在所述液体活塞内。本发明提供了一种结构紧凑、功率拓展性高且经济实用的热声发电装置，以解决现有热声发电装置所存在的体积大、输出功率有限、能量密度较低、经济性较差的缺陷。

Description

一种热声发电装置

技术领域

本发明涉及热声发电技术领域，更具体地，涉及一种液体活塞双向透平热声发电装置。

背景技术

当一个管道中存在适当的温度梯度时，热声振荡就会自发产生，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；以液体作为工质，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。

传统热声发动机采用谐振管来储存声能、调节系统工作频率以及为回热器提供合适阻抗。但谐振管造成系统尺寸偏大，比功率降低，其内部声功损失对整机效率也产生显著影响，成为制约传统热声发动机大规模应用的主要障碍之一。而液体活塞双作用式的热声发动机得以解决这一问题。如图1所示为三单元组合的系统简图，三个单元完全相同，每个单元由连接管1，热声转换部件，连接管7，直流与液面控制装置8，以及充有液体的U型压力容器9组成。其中热声转换部件包括室温换热器2，回热器3，加热器4，热缓冲管5，次室温换热器6。热声转换部件及连接管内部仍采用高压气体工质，而在垂直U型管中使用液柱作为液体活塞。液体活塞的主要优点有：(1)可实现零泄漏、小阻尼、长寿命、免散热设备的大位移幅度振荡，大大简化了系统结构，同时小阻尼带来的较低起振温度增强了热声发电系统热源利用的适应性；(2)系统频率调节通过加注液体质量的改变即可实现，容易获得谐振频率较低的系统，降低了热声核心转换单元的换热设计难度；(3)采用封闭高压系统，高密度特性相较于气体谐振系统大大提高了系统的紧凑度，系统功率密度大幅度提高。因此，液体活塞双作用热声发动机在实现低成本、大功率的热驱动热机方面非常具有潜力。

然而，目前跟热声发动机耦合的发电机一般是直线发电机。如图2所示为动磁式对置直线发电机的结构示意图，该动磁式对置直线发电机包含两个对置运动的直线电机；直线电机由活塞10、支撑单元11、定子线圈12、动子磁体13及外壳14组成。

工作过程中，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旋转机械转变成轴功，进而带动常规旋转式电机发电。

这一技术在振荡水柱式(Oscillating Water Column，简称OWC)波能发电中已经得以应用，但其应用于常压空气，效率普遍只有30％～40％。目前，常用的双向透平是威尔斯透平和双向冲击式透平。请参阅图3和图5所示，威尔斯透平由两组导流静叶片15与如图5所示的对称翼动叶片16组成，往复流体流经透平时产生的升力都使透平朝同一方向旋转。请如图4所示，双向冲击式透平由两组导流静叶片15与如图6所示的动叶片16组成。动叶片与传统单级轴流冲击式汽轮机相同。往复流动的流体经过导流静叶片16，都向动叶片15的弯曲方向冲击，推动叶轮单向旋转，其中，导流静叶片16的三维结构图见图7所示。

由于双向透平依靠流体动能工作，对于具有低密度的气体来说需要高流速来实现动能的转换，而高流速意味着大的流动损失和较低的效率。对于热声系统，提高双向透平效率的一种可行的方法是增加系统工作压力或选用较重的工作介质，如选用氩气代替常用氦气，但受限于压力容器限制，其工质密度仍远小于液体。因此，在热声系统中，利用液体作为工作介质，可以有效提高双向透平的效率。

然而，现有的液体活塞热声发动机仅仅在U型管中注水来调节系统的频率，并未利用U型管中液体的往复流动，常用直线发电机技术又面临功率可扩展性和经济性方面的问题，气体驱动的双向透平则存在效率较难提高的问题。

发明内容

本发明提供一种结构紧凑、功率拓展性高且经济实用的热声发电装置，以解决现有热声发电装置所存在的体积大、输出功率有限、能量密度较低、经济性较差的缺陷。

根据本发明的一个方面，提供一种热声发电装置，其包括：用于将热能转化为声能的热声转换单元、用于将声能转化为动能的液体活塞和用于将动能转化为电能的双向透平发电单元，所述液体活塞与该热声转化单元相连，所述双向透平发电单元装设在所述液体活塞内。

在上述方案基础上优选，所述的液体活塞包括U型压力容器、装设在所述U型压力容器内的驱动液体，所述双向透平发电单元装设在所述U型压力容器内，并使该双向透平发电单元完全浸没在所述驱动液体中；所述热声转换单元包括顺序连接的加热器、回热器和室温换热器。

在上述方案基础上优选，所述热声转换单元至少为两个，所述液体活塞的个数与该热声转换单元的个数相对应，且所述热声转换单元通过所述液体活塞首尾相接形成一个环形结构；所述热声转换单元还包括一热缓冲管、次室温换热器和连接管，所述次室温换热器的一端通过该热缓冲管与所述加热器相连通，所述次室温换热器的另一端通过该连接管与所述U型压力容器相连通。

在上述方案基础上优选，所述热声转换单元为一个，所述热声转换单元的两端分别与所述液体活塞两端相连通以形成一个环路结构；且所述热声转换单元还包括一热缓冲管、次室温换热器和连接管，所述次室温换热器的一端通过该热缓冲管与所述加热器相连通，所述次室温换热器的另一端通过该连接管与所述U型压力容器相连通。

在上述方案基础上优选，所述液体活塞为一个，所述U型压力容器的一端与所述的热声转换单元相连通，其另一端与气库相连通。

在上述方案基础上优选，所述液体活塞为一个，所述热声转换单位分别装设在该U型压力容器的两端。

在上述方案基础上优选，所述的热声转换单元还包括与所述加热器连接的热腔。

在上述方案基础上优选，该U型压力容器两端分别装设有直流与液面控制装置；所述直流与液面控制装置优选为弹性隔膜、刚性浮子或活塞板簧中的一种。

在上述方案基础上优选，所述双向透平发电单元包括两个整流罩、装设在所述两个整流罩之间的双向透平、及装设在所述整流罩内的旋转式发电机，所述双向透平包括转轴、导流静叶片、动叶片，所述两个导流静叶片装设在该转轴上，并将所述动叶片装设在所述两个导流静叶片之间，并将该所述转轴的两端延伸至所述整流罩内，所述的旋转式发电机装设在该转轴的两端。

在上述方案基础上优选，所述双向透平发电单元优选包括至少两个相互串联的双向透平。

本发明结合了结合液体活塞在热声发电装置中的优点，利用液体活塞中液体的高密度特性，往复推动双向透平发电单元的动叶片带动转轴单向旋转，进而带动旋转式发电机发电，以获得更为紧凑、高效、且兼具良好功率可扩展性与经济性的热声发电装置。

附图说明

图1为现有技术中液体活塞双作用热声发动机结构示意图；

图2为现有技术中动磁式对置直线发电机的示意图；

图3为现有技术中威尔斯透平的示意图；

图4为现有技术中双向冲击式透平的示意图；

图5为现有技术中威尔斯透平动叶片的三维立体结构图；

图6为现有技术中双向冲击式透平动叶片的三维立体结构图；

图7为现有技术中导流静叶片的三维立体结构图；

图8为本发明热声发电装置的局部结构示意图；

图9为本发明热声发电装置的实施例二的结构示意图；

图10为本发明图9的局部放大示意图；

图11为本发明热声发电装置的实施例三的俯视图；

图12为本发明热声发电装置的实施例三的正视图；

图13为本发明热声发电装置的实施例四的结构示意图；

图14为本发明热声发电装置的实施例五的结构示意图；

图15为本发明单级双向透平发电单元的结构示意图；

图16为本发明双级双向透平发电单元的结构示意图。

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。

实施例一

请参阅图8至图16所示，本发明提供了一种热声发电装置，其包括：用于将热能转化为声能的热声转换单元30、用于将声能转化为动能的液体活塞40和用于将动能转化为电能的双向透平发电单元50，液体活塞40与该热声转化单元相连，双向透平发电单元50装设在液体活塞40内。

本发明的一种热声发电装置，通过热声转换单元30，将热能转化为声能，利用声波驱动液体活塞40中的驱动液体42运动，将声能转化为液体的动能，以带动装设在液体活塞40中的双向透平发电单元50工作，将液体的动能转化为电能，从而实现热能到电能的转化。

实施例二

作为本发明的另一种实施例，请参阅图9所示，本实施例中的热声转换单元30为一个，该热声转换单元30与液体活塞40相连。

其中，液体活塞40包括U型压力容器41和装设在U型压力容器41内的驱动液体42，并在U型压力容器41两端的驱动液体42的表面装有一直流与液面控制装置43，用于抑制环路结构引起的直流并控制气液交界面的平整度，优选的，该液面控制装置43可以是弹性隔膜、刚性浮子或活塞板簧中的一种。

双向透平发电单元50在U型压力容器41的中部，工作时，双向透平发电单元50完全浸透在驱动液体内42。其中，该双向透平发电单元50包括两个整流罩51、装设在两个整流罩51之间的双向透平、及装设在整流罩51内的旋转式发电机522，双向透平包括转轴521、两个导流静叶片523、动叶片524，两个导流静叶片523装设在该转轴521上，并将动叶片524装设在两个导流静叶片523之间，转轴521的两端延伸至整流罩51内，旋转式发电机522装设在该转轴521的两端，具体结构见图15所示。

热声转换单元30包括顺序连接的室温换热器33、回热器32、加热器31、热缓冲管34、次室温换热器35，室温换热器33通过连接管36与U型压力容器41的一端相连接，并将U型压力容器41的另一端通过连接管36与次室温换热器35相连通，具体结构见图9和图10所示。

系统工作时，热声转换单元30内填充高压气体介质，加热器31接受外界热量，在回热器32和热缓冲管34内建立温度梯度(即两端形成温差)，则装置内就会产生声波震荡，将热能转换为声波形成的机械能。当声波传递中U型压力容器41的两端后，由回热器32与热缓冲管34之间的温度差的不同，导致U型压力容器41两端的声波能量不同，从而使U型压力容器41内的驱动液体42在其内做往复运动。在驱动液体42进入双向透平发电单元50中的整流罩51与U型高压力容器之间环形流道，驱动液体42的流速幅值显著增大，驱动液体42在往复运动时，推动动叶片524旋转带动转轴521转动，进而带动旋转式发电机522发电。

本实施例中，室温换热器33用于带走回热器32一侧的热量，从而在回热器32端产生很大的温度梯度；而回热器32用于将被加热的工质气体在其中产生热声振荡，把热能变成机械能，产生声功；热缓冲管34设置在加热器31和次室温换热器之间，用于实现加热器31与次室温换热器35之间的热隔离，用以减少加热器31向次室温换热器的隔热，同时，使声功从发动机高温区向外传递；次室温换热器的作用是降低传输声功的气体温度，以利于声功的引出。

本实施例中的驱动液体42可以是水、水溶液、液体金属等能高效驱动双向透平发电单元50做功的液体，在驱动液体42做往复运动的过程中，其不进入热声转换单元30中。

与传统热声发电装置中，采用气体作为声能转化为动能的介质相比较，本发明采用驱动液体42作为工作介质，大大减小了谐振管的尺寸，同时又能降低系统的谐振频率并提升压力振幅，提高了其发电效率。

实施例三

与实施例二不同的是，实施例三中的热声转换单元30为三个，液体活塞40也为三个，热声转换单元30与液提活塞交替串联，如图11和图12所示。

其中，图8为本实施例中的一个基本单元，该基本单元是由一个热声转换单元30、与一个液体活塞40、及装设在液体活塞40中的一个双向透平发电单元50所构成的。

本实施例中，三个完全相同的热声转换单元30和液体活塞40以形成三个基本单元，使得体积流率或压力振幅分别与对称位置处体积流率或压力振幅形成120°相位差，并在液体活塞40中放置双向透平发电单元50，将往复流体的交变流动转换为旋转运动，从而带动旋转电机发电。

实施例四

请参阅图13所示，本实施例中的热声转换单元30为一个，该热声转换单元30与液体活塞40相连。

其中，液体活塞40包括U型压力容器41和装设在U型压力容器41内的驱动液体42，并在U型压力容器41两端的驱动液体42的表面装有一直流与液面控制装置43，用于控制气液交界面的平整度，优选的，该液面控制装置43可以是弹性隔膜、刚性浮子或活塞板簧中的一种。

工作时，双向透平发电单元50完全浸透在驱动液体内42。其中，工作时，双向透平发电单元50完全浸透在驱动液体内42。其中，该双向透平发电单元50包括两个整流罩51、装设在两个整流罩51之间的双向透平、及装设在整流罩51内的旋转式发电机522，双向透平包括转轴521、两个导流静叶片523、动叶片524，两个导流静叶片523装设在该转轴521上，并将动叶片524装设在两个导流静叶片523之间，转轴521的两端延伸至整流罩51内，旋转式发电机522装设在该转轴521的两端，具体结构见图15所示。

热声转换单元30包括顺序连接的加热器31、回热器32和室温换热器33，在加热器31一端与热腔38相连，其另一端通过回热器32与室温换热器33相连，室温换热器33经连接管36与U型压力容器41的一端相连，并将U型压力容器41的另一端与气库相连，具体结构参阅图13所示。

其中，本实施例中的热腔38是为加热器31提供热源，并用于调节回热器32处的声场。而气库37通过U型压力容器41与热声转换单元30相连，用以调节与驱动液体42连接处的阻抗，实现驱动液体42的大幅位移振荡。

实施例五

本实施例与实施例四不同的是，本实施例的热声转换单元30为两个，且该热声转换单元30分别装设在该U型压力容器41的两端，如图14所示。

热声转换单元30包括顺序连接的热腔38、加热器31、回热器32和室温换热器33，室温换热器33经连接管36与U型压力容器41的一端相连具体结构参阅图14所示。

实施例六

为了进一步提高本发明的发电效率，上述实施例一至实施例五中的双向透平发电单元50包括两个或两个以上相互串联的发电体。

如图16所示，为本发明的双向透平发电单元50包括两个相互串联双向透平，以形成二级双向透平发电单元。在该装置中，一根转轴521、两个导流静叶片523、一个动叶片524和一个旋转式发电机522，两个导流静叶片523间隔固定式装设在整流罩51中，并将转轴521穿插在两个导流静叶片523之间，动叶片524装设在两个导流静叶片523之间的转轴521上，并在转轴521一端装设该旋转式发电机522。

当驱动液体42做往复运动进入整流罩51后，流经整流罩51与倒流静叶片之间的间隙处时，致使驱动液体42流速幅值显著变大，从而带动动叶片524旋转，由于动叶片524与转轴521固定相连，从而以带动旋转轴521转动，以到达带动旋转时发电机旋转发电。

本申请提出一种热声发电装置，通过热声转换单元30，将热能转化为声能，利用声波驱动液体42活塞40中的液体运动，将声能转化为液体的动能，以带动装设液体活塞40的双向透平发电单元50工作，将液体的动能转化为电能，从而实现热能到电能的转化。

本发明结合了结合液体活塞40在热声发电装置中的优点，利用液体活塞40中液体的高密度特性，往复推动双向透平发电单元50的动叶片524带动转轴521单向旋转，进而带动旋转式发电机522发电，以获得更为紧凑、高效、且兼具良好功率可扩展性与经济性的热声发电装置。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热声发电装置，其特征在于，其包括：用于将热能转化为声能的热声转换单元、用于将声能转化为动能的液体活塞和用于将动能转化为电能的双向透平发电单元，所述液体活塞与该热声转化单元相连，所述双向透平发电单元装设在所述液体活塞内。

2.如权利要求1所述的热声发电装置，其特征在于，所述的液体活塞包括U型压力容器、装设在所述U型压力容器内的驱动液体，所述双向透平发电单元装设在所述U型压力容器内，并使该双向透平发电单元完全浸没在所述驱动液体中；所述热声转换单元包括顺序连接的加热器、回热器和室温换热器。

3.如权利要求2所述的热声发电装置，其特征在于，所述热声转换单元至少为两个，所述液体活塞的个数与该热声转换单元的个数相对应，且所述热声转换单元通过所述液体活塞首尾相接形成一个环形结构；所述热声转换单元还包括一热缓冲管、次室温换热器和连接管，所述次室温换热器的一端通过该热缓冲管与所述加热器相连通，所述次室温换热器的另一端通过该连接管与所述U型压力容器相连通。

4.如权利要求2所述的热声发电装置，其特征在于，所述热声转换单元为一个，所述热声转换单元的两端分别与所述液体活塞两端相连通以形成一个环路结构；且所述热声转换单元还包括一热缓冲管、次室温换热器和连接管，所述次室温换热器的一端通过该热缓冲管与所述加热器相连通，所述次室温换热器的另一端通过该连接管与所述U型压力容器相连通。

5.如权利要求2所述的热声发电装置，其特征在于，所述液体活塞为一个，所述U型压力容器的一端与所述的热声转换单元相连通，其另一端与气库相连通。

6.如权利要求2所述的热声发电装置，其特征在于，所述液体活塞为一个，所述热声转换单位分别装设在该U型压力容器的两端。

7.如权利要求5或6所述的热声发电装置，其特征在于，所述的热声转换单元还包括与所述加热器连接的热腔。

8.如权利要求1-7任一项所述的热声发电装置，其特征在于，该U型压力容器两端分别装设有直流与液面控制装置；所述直流与液面控制装置优选为弹性隔膜、刚性浮子或活塞板簧中的一种。

9.如权利要求1-8任一项所述的热声发电装置，其特征在于，所述双向透平发电单元包括两个整流罩、装设在所述两个整流罩之间的双向透平、及装设在所述整流罩内的旋转式发电机，所述双向透平包括转轴、导流静叶片、动叶片，所述两个导流静叶片装设在该转轴上，并将所述动叶片装设在所述两个导流静叶片之间，并将该所述转轴的两端延伸至所述整流罩内，所述的旋转式发电机装设在该转轴的两端。

10.如权利要求1-9任一项所述的热声发电装置，其特征在于，所述双向透平发电单元优选包括至少两个相互串联的双向透平。