CN106677920A - 一种利用液态金属导电的双作用热声发电机 - Google Patents

一种利用液态金属导电的双作用热声发电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及发电装置技术领域，尤其涉及一种利用液态金属导电的双作用热声发电机。本发明提供的一种利用液态金属导电的双作用热声发电机包括串联形成闭合环路的至少三组热声发电单元，每组热声发电单元均包括热声发动机、内部设有液态金属的储液管及至少一个摩擦发电机；摩擦发电机包括外接负载及两个电极，两个电极设于储液管内且其中一个电极始终与液态金属接触，另一个电极的外表面设有发电材料层，热声发动机推动液态金属做升降往复运动，以使得设有发电材料层的电极与液态金属在接触状态和分离状态之间切换。本申请通过设有液态金属的储液管起到谐振子的作用，导电性能优异且性质稳定，可靠性强，结构简单，生产成本低，实用性强。

Description

一种利用液态金属导电的双作用热声发电机
技术领域
本发明涉及发电装置技术领域，尤其涉及一种利用液态金属导电的双作用热声发电机，具体涉及一种结构简单、制造成本低且能提高生产效率的利用液态金属导电的双作用热声发电机。
背景技术
热声发动机是将热能转换为机械能的新型动力装置，如果将其与发电机相连，将机械能转化为电能就构成了一种热声发电机。热声发电机是一种外燃式的发电设备，可以利用废热、太阳能、工业余热等进行发电，因此具有广泛的应用前景。如图1为一种双作用热声发电机结构，它由三个单元组成，每个单元包括热声发动机和直线电机。热声发动机的核心部件包括主水冷器1、回热器2、加热器3、热缓冲管4及次水冷器5；直线电机包括膨胀活塞11、膨胀腔11’、压缩活塞12、压缩腔12’、动子13及定子14等。热声发动机的次水冷器5跟直线电机的膨胀腔11’相连，直线电机的压缩腔12’再跟另一个单元中热声发动机的主水冷器1相连，这样各单元之间首尾相连构成一个环路。直线电机的活塞和动子13起到谐振子的作用，决定系统的工作频率。系统工作时，热声发动机的加热器3温度升高到一定值，系统就会产生自激的声波振荡，声波消耗部分能量波推动膨胀活塞11往复运动，将声波形式的机械能转变为电能，声波的剩余能量通过电机的动子13传递到压缩活塞12，再以声波的形式进入另一个单元的发动机，声波在回热器2中能量被放大后再推动该单元中的膨胀活塞11工作。
采用上述结构的热声发电机，直线电机的膨胀活塞11及压缩活塞12和动子13采用板簧支撑，且膨胀活塞11及压缩活塞12与气缸之间采用精密的间隙密封以消除二者之间的摩擦，这对加工工艺提出了很高的要求，加工成本高且生存效率低下；另外直线电机的磁路、线圈等制作成本高，这些因素最后导致热声发电机生产成本较为昂贵，难以实用化。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是：提供一种结构简单、制造成本低且能提高生产效率的利用液态金属导电的双作用热声发电机，以解决现有的热声发电机结构复杂、对加工工艺要求高而造成的成本高、生产效率低及实用性差的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用液态金属导电的双作用热声发电机，包括至少三组热声发电单元，每组所述热声发电单元均包括热声发动机、内部设有液态金属的储液管及至少一个摩擦发电机；所述热声发动机包括依次连接的主冷水器、回热器及与所述储液管的进口端连接的加热器；该组所述热声发电单元的储液管的出口端通过连接管与下一组热声发电单元的主冷水器连通，该组所述热声发电单元的主冷水器通过连接管与末组热声发电单元的储液管的出口端连通，以形成闭合环路；所述摩擦发电机包括连接形成导电环路的外接负载及两个电极，所述两个电极设于所述储液管内且其中一个所述电极始终与所述储液管内的液态金属接触，另一个所述电极的外表面设有发电材料层，所述热声发动机推动所述储液管内的液态金属做升降往复运动，以使得所述设有发电材料层的电极与所述液态金属在接触状态和分离状态之间切换。
其中，所述摩擦发电机的数量为两个，其中一个所述摩擦发电机的两个电极设于靠近所述储液管的进口端的端口处，另一个所述摩擦发电机的两个电极设于靠近所述储液管的出口端的端口处。
其中，所述热声发动机还包括设于所述加热器与所述储液管的进口端之间的热缓冲管及次水冷器，所述热缓冲管与所述加热器连接，所述次水冷器与所述储液管的进口端连接。
其中，所述储液管的进口端和出口端均设有浮子，且设于所述储液管出口端的浮子构造有两个用于穿设所述两个电极的通孔。
其中，所述外表面设有发电材料层的电极的下端为针尖结构。
其中，所述储液管的剖面形状为U型或V型或W型。
其中，所述液态金属为汞或钠钾混合物或镓或钠或钾。
其中，所述发电材料层为具有多个凸起结构的发电材料层。
其中，所述发电材料层采用聚酰亚胺或聚四氟乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯或聚二甲硅氧烷或聚对二甲苯材质制成。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种利用液态金属导电的双作用热声发电机，包括至少三组热声发电单元，每组热声发电单元均包括热声发动机、内部设有液态金属的储液管及至少一个摩擦发电机；热声发动机包括依次连接的主冷水器、回热器及与储液管的进口端连接的加热器；该组热声发电单元的储液管的出口端通过连接管与下一组热声发电单元的主冷水器连通，该组热声发电单元的主冷水器通过连接管与末组热声发电单元的储液管的出口端连通，以形成闭合环路；摩擦发电机包括连接形成导电环路的外接负载及两个电极，两个电极设于储液管内且其中一个电极始终与储液管内的液态金属接触，另一个电极的外表面设有发电材料层，热声发动机推动储液管内的液态金属做升降往复运动，以使得设有发电材料层的电极与液态金属在接触状态和分离状态之间切换。本申请提供的储液管替代传统电机结构中的活塞动子，起到谐振子的作用，决定热声发电机的工作频率，大大简化了传统电机结构，降低了对加工工艺的要求及生产成本，经济性好，实用性强，利于进行标准化生产及推广；同时利用液态金属导电，导电性能优异且性质稳定，在保证发电效率的前提下又提高了发电机的可靠性。
附图说明
图1是现有技术中热声发电机的结构示意图；
图2是本发明一种利用液态金属导电的双作用热声发电机实施例一的双作用热声发电机的结构示意图；
图3中(a)至(d)为本发明一种利用液态金属导电的双作用热声发电机实施例一的利用液态金属将机械能转换为电能的状态变化图。
图中：1：主冷水器；2：回热器；3：加热器；4：热缓冲管；5：次水冷器；6：储液管；7、9：电极；8：发电材料层；10：外接负载；11：膨胀活塞；11’：膨胀腔；12：压缩活塞；12’：压缩腔；13：动子；14：定子；15：液态金属；16：浮子。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、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，对本发明实施例中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的一部分实施例，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的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。
实施例一
特别的，为表述方便，本申请提供的一种利用液态金属导电的双作用热声发电机，将储液管与热声发动机连接的一端定义为储液管的进口端，相应的，将储液管的另一端定义为储液管的出口端。
如图2至图3所示，本发明实施例提供了一种利用液态金属导电的双作用热声发电机，包括至少三组热声发电单元，每组热声发电单元均包括热声发动机、内部设有液态金属15的储液管6及至少一个摩擦发电机；利用液态金属15导电，导电性能优异且性质稳定，在保证发电效率的前提下又提高了发电机的可靠性；热声发动机包括依次连接的主冷水器1、回热器2及与储液管6的进口端连接的加热器3，主冷水器1形成低温，加热器3形成高温，这样在回热器2的两端形成温度梯度，当回热器2达到一定温度梯度时，就会产生自激的声波振荡；该组热声发电单元的储液管6的出口端通过连接管与下一组热声发电单元的主冷水器1连通，该组热声发电单元的主冷水器1通过连接管与末组热声发电单元的储液管6的出口端连通，以形成闭合环路，其中，当回热器2达到一定温度梯度时，产生的一部分声波用于推动液态金属15在储液管6内做升降往复运动，剩余部分声波通过连接管进入下一组热声发电单元，在下一组热声发电单元中回热器2两端温度梯度作用下，该声波被放大，以再次用于推动该组的液态金属15往复运动，依次传递形成循环；摩擦发电机包括连接形成导电环路的外接负载10及两个电极，即电极7和电极9，两个电极设于储液管6内且其中一个电极始终与储液管6内的液态金属15接触，另一个电极的外表面设有发电材料层8，热声发动机推动储液管6内的液态金属15做升降往复运动，以使得设有发电材料层8的电极与液态金属15在接触状态和分离状态之间切换。本申请提供的储液管6替代传统电机结构中的活塞动子，起到谐振子的作用，决定热声发电机的工作频率，大大简化了传统电机结构，降低了对加工工艺的要求及生产成本，经济性好，实用性强，利于进行标准化生产及推广。
在本实施例中，摩擦发电机的数量为一个，具体包括外接负载10、电极7和电极9，电极7和电极9设于储液管6内且设于靠近储液管6出口端的端口处；其中电极9较长，始终与储液管6内的液态金属15接触，电极7较短，在热声发动机推动储液管6内的液态金属15做升降往复运动时，与液态金属15在接触状态和分离状态之间切换。
具体地，本申请提供的一种利用液态金属导电的双作用热声发电机工作过程为：主冷水器1形成低温，加热器3形成高温，这样在回热器2的两端形成温度梯度，当回热器2达到一定温度梯度时，就会产生自激的声波振荡，声波推动储液管6内的液态金属15使其做升降往复运动；液态金属15在做升降往复运动的过程中，不断地与电极7表面的发电材料层8接触，具体如图3中的图(a)，液态金属15与发电材料层8接触时会发生电荷的转移，发电材料层8表面带负电，液态金属15带正电；当液态金属15与电极7上的发电材料层8分离时，液态金属15中的正电荷通过电极9和外部负载转移到电极7上(见图3中的图(b))；当液态金属15与电极7上的发电材料层8完全分离时，电极7上的正电荷达到最大(见图3中的图(c))；当液态金属15再次与电极7上的发电材料层8接触时(见图3中的图(d))，电极7上的正电荷通过外接负载10和电极9再次回到液态金属15中，再重新回到图3中图(a)的状态，如此不断循环往复，实现机械能向电能的转换。
进一步地，若采用熔点较低的液态金属15，热声发动机还包括设于加热器3与储液管6的进口端之间的热缓冲管4及次水冷器5，热缓冲管4与加热器3连接，次水冷器5与储液管6的进口端连接。其中，次水冷器5主要是使液态金属15工作在较低的温度，热缓冲管4则是用来连接高温的加热器3和处于较低温度的次水冷器5，起到热缓冲、减少热量损失的作用。
特别的，如果采用熔点较高的液态金属15，则可以取消热缓冲管4和次水冷器5，这样液态金属15与加热器3相邻，可以利用加热器3对液态金属15进行加热，保持其熔融状态。
进一步地，为防止液态金属15在震荡过程中如果加速度过大造成的液面破坏及液体飞溅现象，在本实施例中，储液管6的进口端和出口端均设有浮子16，且设于储液管6出口端的浮子构造有两个用于穿设两个电极的通孔。优选地，浮子16依靠浮力漂浮于液态金属15的液面上，浮子16的形状与储液管6的内壁面仅存在微小的间隙，以起到最大化防止液面破坏和液体飞溅现象。
优选地，外表面设有发电材料层的电极的下端为针尖结构。其中，下端指的是靠近液态金属15的一端；在本实施例中，通过将电极7的下端设计为针尖结构，以防止电极7的下端面与液面撞击时使液体飞溅。
优选地，储液管6的剖面形状为U型或V型或W型。在本实施例中，储液管6选用U型管，工艺简单，结构简便，生产成本低，经济性好。
优选地，液态金属15为汞或钠钾混合物或镓或钠或钾。储液管6内的液态金属15的材料可以为汞、钠钾混合物、镓等常温下呈液态的材料，也可以是通过适当加热后变成液态的金属材料，例如钠、钾等低熔点材料。
优选地，为了获得更高的发电量和发电效率，发电材料层8为具有多个凸起结构的发电材料层8，以此增大了发电材料层8与液态金属15之间的摩擦接触面积。其中，多个凸起结构既可以以一定的规则均匀设置，也可以随机布置，具体根据实际实施条件来选择凸起结构的数量、形状及布置方式。
优选地，发电材料层8采用聚酰亚胺或聚四氟乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯或聚二甲硅氧烷或聚对二甲苯材质制成。除上述之外，在实际应用时，也可选择其它摩擦发电材料。
实施例二
另外，本申请提供的利用液态金属导电的双作用热声发电机还包括下述技术方案：摩擦发电机的数量为两个，其中一个摩擦发电机的两个电极设于靠近储液管的进口端的端口处，另一个摩擦发电机的两个电极设于靠近储液管的出口端的端口处。采用两个摩擦发电机，以满足更高的发电量和发电效率需求，应用领域更广，实用性更强，利于进行标准化生产及推广。其它技术方案与实施例一中的技术方案相同，为避免赘述，在这不做额外的阐述。
综上所述，本发明提供了一种利用液态金属导电的双作用热声发电机，包括至少三组热声发电单元，每组热声发电单元均包括热声发动机、内部设有液态金属的储液管及至少一个摩擦发电机；热声发动机包括依次连接的主冷水器、回热器及与储液管的进口端连接的加热器；该组热声发电单元的储液管的出口端通过连接管与下一组热声发电单元的主冷水器连通，该组热声发电单元的主冷水器通过连接管与末组热声发电单元的储液管的出口端连通，以形成闭合环路；摩擦发电机包括连接形成导电环路的外接负载及两个电极，两个电极设于储液管内且其中一个电极始终与储液管内的液态金属接触，另一个电极的外表面设有发电材料层，热声发动机推动储液管内的液态金属做升降往复运动，以使得设有发电材料层的电极与液态金属在接触状态和分离状态之间切换。本申请提供的储液管替代传统电机结构中的活塞动子，起到谐振子的作用，决定热声发电机的工作频率，大大简化了传统电机结构，降低了对加工工艺的要求及生产成本，经济性好，实用性强，利于进行标准化生产及推广；同时利用液态金属导电，导电性能优异且性质稳定，在保证发电效率的前提下又提高了发电机的可靠性。
最后应说明的是：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 (9)

1.一种利用液态金属导电的双作用热声发电机，其特征在于：包括至少三组热声发电单元，每组所述热声发电单元均包括热声发动机、内部设有液态金属的储液管及至少一个摩擦发电机；所述热声发动机包括依次连接的主冷水器、回热器及与所述储液管的进口端连接的加热器；该组所述热声发电单元的储液管的出口端通过连接管与下一组热声发电单元的主冷水器连通，该组所述热声发电单元的主冷水器通过连接管与末组热声发电单元的储液管的出口端连通，以形成闭合环路；所述摩擦发电机包括连接形成导电环路的外接负载及两个电极，所述两个电极设于所述储液管内且其中一个所述电极始终与所述储液管内的液态金属接触，另一个所述电极的外表面设有发电材料层，所述热声发动机推动所述储液管内的液态金属做升降往复运动，以使得所述设有发电材料层的电极与所述液态金属在接触状态和分离状态之间切换。
2.根据权利要求1所述的利用液态金属导电的双作用热声发电机，其特征在于：所述摩擦发电机的数量为两个，其中一个所述摩擦发电机的两个电极设于靠近所述储液管的进口端的端口处，另一个所述摩擦发电机的两个电极设于靠近所述储液管的出口端的端口处。
3.根据权利要求1所述的利用液态金属导电的双作用热声发电机，其特征在于：所述热声发动机还包括设于所述加热器与所述储液管的进口端之间的热缓冲管及次水冷器，所述热缓冲管与所述加热器连接，所述次水冷器与所述储液管的进口端连接。
4.根据权利要求1所述的利用液态金属导电的双作用热声发电机，其特征在于：所述储液管的进口端和出口端均设有浮子，且设于所述储液管出口端的浮子构造有两个用于穿设所述两个电极的通孔。
5.根据权利要求1所述的利用液态金属导电的双作用热声发电机，其特征在于：所述外表面设有发电材料层的电极的下端为针尖结构。
6.根据权利要求1至5任一项所述的利用液态金属导电的双作用热声发电机，其特征在于：所述储液管的剖面形状为U型或V型或W型。
7.根据权利要求1至5任一项所述的利用液态金属导电的双作用热声发电机，其特征在于：所述液态金属为汞或钠钾混合物或镓或钠或钾。
8.根据权利要求1或2所述的利用液态金属导电的双作用热声发电机，其特征在于：所述发电材料层为具有多个凸起结构的发电材料层。
9.根据权利要求8所述的利用液态金属导电的双作用热声发电机，其特征在于：所述发电材料层采用聚酰亚胺或聚四氟乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯或聚二甲硅氧烷或聚对二甲苯材质制成。
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