CN113037128A - 热声驱动液体摩擦发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热声驱动液体摩擦发电机，包括热声发动机，一端设有弧形管，弧形管内注入液体，热声发动机产生的声功驱动液体往复运动，且对应产生液面位置上下浮动；摩擦发电机，包括套设于所述弧形管外的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极设于所述弧形管的相对两侧，且所述第一电极和所述第二电极的底部至少部分与液面下方的管体位置相重叠。通过上述方式，热声发动机可以驱动弧形管内的液体往复运动，使得液体在往复运动的过程中与弧形管内壁摩擦形成电荷流动，由此第一电极和第二电极之间产生电势差而形成电流，因为热声发动机中的液体为往复运动，所以可以通过第一电极和第二电极输出交流电，实现声能向电能的持续转化。

Description

热声驱动液体摩擦发电机

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种热声驱动液体摩擦发电机。

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，将热能转化成声波形式的机械能，这就是热致声效应。热声发动机作为一种新型外燃式热机，它利用热致声效应将热能转化为声能，具有无机械运动部件带来的运行可靠和长寿命、潜在热效率高和环境友好等优点。

传统的热声发电系统一般采用直线发电机或者液体金属导电的热声发电机，但是具有结构复杂，进而加工工艺要求过高，并且工作效率较低的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种热声驱动液体摩擦发电机，用以解决现有技术中发电机工作效率低的技术问题。

本发明实施例提供一种热声驱动液体摩擦发电机，包括：

热声发动机，一端设有弧形管，所述弧形管内注入液体，所述热声发动机产生的声功驱动液体往复运动，且对应液面位置上下浮动；

摩擦发电机，包括套设于所述弧形管外的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极设于所述弧形管的相对两侧，且所述第一电极和所述第二电极的底部至少部分与液面下方的管体位置相重叠。

根据本发明一个实施例的热声驱动液体摩擦发电机，所述第一电极和所述第二电极的中部与所述液体的液面位置相对应，且所述弧形管单侧的所述液面位移幅值分别小于所述第一电极或者所述第二电极在液面位置的相对两侧的长度。

根据本发明一个实施例的热声驱动液体摩擦发电机，所述弧形管为U型管，且所述U型管的管壁材料与所述液体的材料得失电子能力不同。

根据本发明一个实施例的热声驱动液体摩擦发电机，

所述弧形管的材料为驻极体材料、绝缘体材料或半导体材料中的一者；

所述液体为水、离子液体或者盐溶液中的一者；

所述第一电极和所述第二电极的材料为金属导体或者合金。

根据本发明一个实施例的热声驱动液体摩擦发电机，所述热声发动机采用气体工质。

根据本发明一个实施例的热声驱动液体摩擦发电机，所述气体工质为氮气、氦气、二氧化碳或者氩气中的一者或其组合。

根据本发明一个实施例的热声驱动液体摩擦发电机，所述热声发动机为驻波热声发动机；

所述驻波热声发动机包括依次连接的热腔、加热器、回热器、水冷器、以及设于所述弧形管远离所述水冷器一侧的气库。

根据本发明一个实施例的热声驱动液体摩擦发电机，还包括浮子，设于所述弧形管的两个液面位置。

根据本发明一个实施例的热声驱动液体摩擦发电机，还包括稳压管，所述稳压管的两端与所述弧形管相连接并与所述弧形管内液面的上方管内气体相连通。

根据本发明一个实施例的热声驱动液体摩擦发电机，所述第一电极和所述第二电极之间还设有负载，所述第一电极和所述第二电极与所述负载电连接。

本发明实施例提供的热声驱动液体摩擦发电机，包括热声发动机和摩擦发电机，热声发动机可以驱动弧形管内的液体往复运动，使得液体在往复运动的过程中与弧形管内壁摩擦形成电荷流动，由此第一电极和第二电极之间产生电势差而形成电流，因为热声发动机中的液体为往复运动，所以可以通过第一电极和第二电极输出交流电，实现声能向电能的持续转化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明热声驱动液体摩擦发电机一实施例的结构示意图；

图2为图1所示的声能转化电能的结构简图；

图3为本发明热声驱动液体摩擦发电机的第二实施例的结构示意图；

图4为本发明热声驱动液体摩擦发电机第三实施例的结构示意图；

附图标记：

10、热声发动机； 110、弧形管； 120、热腔；

130、加热器； 140、水冷器； 150、气库；

160、浮子； 170、稳压管； 180、次级水冷器；

190、回热器； 1910、反馈管； 1920、热缓冲管；

20、摩擦发电机； 210、第一电极； 220、第二电极；

230、负载。

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作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。

下面结合图1，本发明提供一种热声驱动液体摩擦发电机，包括热声发动机10，热声发动机10一端设有弧形管110，弧形管110内注入液体，热声发动机10产生的声功驱动液体往复运动，且对应产生液面位置上下浮动。在本发明一实施例中，热声发动机10可以为驻波热声发动机、行波热声发动机、行波、驻波混合型热声发动机或双作用行波热声发动机中的一者，在此不做限定。

在本发明一实施例中，热声发动机10以驻波热声发动机为例，且驻波热声发动机包括依次连接的热腔120、加热器130、水冷器140、回热器190、以及设于弧形管110远离水冷器140一侧的气库150。

具体地，弧形管110为U型管，且U型管的管壁材料与液体的材料得失电子能力不同。U形管的材料需要具有良好的静电荷保持能力。本发明一实施例中，优选驻极体材料、绝缘体材料或半导体材料中的一者。具体可以为：例如聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚甲醛、人造纤维、氯丁橡胶、天然橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚录乙烯、硅、锗、砷化镓、硫化镉等，在此不做限定。液体的材料可以为水、离子液体、盐溶液中的一者，在此也不做限定。

热声发动机10中采用的工质为气体工质，具体可以为氮气、氦气、二氧化碳或者氩气中的一者或其组合。初始状态下，弧形管110的相对两侧中的液体均对应一个液面，对应为初始液面位置。热声发动机10在工作状态下，加热器130吸收外界高温热源热量形成高温端，水冷器140与外界循环水冷换热形成室温端，从而回热器190中产生温度梯度，当温度梯度达到临界温度梯度时，热声发动机10运行，气体自激起振产生往复振荡的压力波动，往复振荡的压力波动会推动液体的液面上下浮动，浮动的液面的最高位置和初始液面位置之间的高度差或者初始液面位置和浮动的液面的最低位置之间的高度差为液面位移幅值。

在本发明一实施例中，因为压力波的产生会使得液面发生振荡，为防止液体在振荡过程中因加速度过大造成的液面不稳定或液体飞溅现象，液体的两液面处可设置密度低于液体的浮子160。在其他实施例中，也可以局部增大液体两液面处附近的弧形管110的管内径。

为平衡液体相对两侧的气压，在本发明一实施例中，可以通过设置稳压管170，稳压管170的两端分别连接弧形管110，且与弧形管110内的气体相连通。稳压管170可以设在弧形管110内液体上方，且高于液面向上移动的最大距离处。通过稳压管170的设置，可以使得弧形管110两侧气体的平均压力相等。

在本发明一实施例中，还包括摩擦发电机20，且摩擦发电机20包括套设于弧形管110外的第一电极210和第二电极220，第一电极210和第二电极220设于弧形管110的相对两侧，且第一电极210和第二电极220的底部至少部分与液面下方的管体位置相重叠。由此随着液面的上行浮动会与弧形管110内壁产生电荷转移，进而使得第一电极210和第二电极220之间产生电势差。

优选地，在初始状态下，液面的位置可以位于第一电极210和第二电极220的中间位置。且第一电极210或者第二电极220的高度应大于或者等于弧形管110单侧的液面位移幅值的2倍，也即第一电极210和第二电极220的高度应大于或者等于液面上下浮动极限位置之间的高度差。此外，在其他实施例中，液面的初始位置与第一电极210和第二电极220中间的位置不对应，进而需要使得第一电极210和第二电极220以液面为准，高于液面的长度和低于液面的长度均大于液面位移幅值，由此使得第一电极210和第二电极220产生相差更大的电势差。

具体地，第一电极210和第二电极220的材料为金属导体或者合金。金属可以选用金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬中的一者，合金可以为上述金属形成的合金。第一电极210和第二电极220之间还设有负载230，第一电极210和第二电极220与负载230电连接。第一电极210和第二电极220产生的交流电作用于负载230。

请参照图2，热声发动机10运行状态下，会使得弧形管110内一侧的液体朝向另一侧移动，如此反复。初始状态下，弧形管110内的液体处于平衡状态，也即两侧的液面处于平齐状态。具体可以参照标识A对应的状态，由于弧形管110内壁与液体之间在摩擦电极性的差异，随着液体朝向另一侧移动的过程中，也对应第二电极220一侧的液体流向第一电极210一侧的过程中，弧形管110内壁会从液体内吸收电子，进而弧形管110内壁便会带上负电荷，所对应的液体表面带上等量的正电荷。带有负摩擦电荷的弧形管110内壁使得第一电极210和第二电极220感应产生正电荷。且因为弧形管110两侧非对称的电荷量，也即液面上浮一侧堆积的电荷量大于液面下降一侧堆积的电荷量，对应弧形管110内壁靠近第一电极210侧堆积产生的电荷量大于靠近第二电极220侧堆积产生的电荷量，进而第一电极210产生的正电荷的量大于第二电极220产生的正电荷的量，此时的第一电极210的电势高于第二电极220的电势，由此自由电子会从第二电极220流向第一电极210，产生由第一电极210流向第二电极220的电流。

请继续参照标识B，当液体向第一电极210积累至最大限度状态时，第一电极210和第二电极220之间便没有电流流动。请参照标识C，进一步地，随着压力波推动第一电极210侧的液体移动时，第一电极210侧的液体会向第二电极220侧移动，此时由于第一电极210和第二电极220间的电势差逐渐减小，感应产生的自由电子将从第一电极210流回第二电极220，从而产生从第二电极220流向第一电极210的电流。请继续参照图D，当弧形管110中的液体回到初始平衡位置时，第一电极210和第二电极220的电势差减小为0，对应电流也为0。

同理，请参照标识E，随着第一电极210侧的液体继续朝向第二电极220侧移动时，弧形管110中两侧管内壁不对称的电荷量会使第二电极220的电势高于第一电极210的电势，从而驱动自由电子从第一电极210流向第二电极220，产生从第二电极220流向第一电极210的电流。进一步地，请参照标识F，当液体继续向第二电极220移动至最大限度状态时，第一电极210和第二电极220之间将没有电流流动。进而压力波返回时，请参照标识G，第一电极210侧的液体朝向初始位置返回时，第一电极210和第二电极220间的电势差逐渐减小，感应的自由电子将从第二电极220流回第一电极210，直到弧形管110中的液体恢复到平衡位置，也对应初始状态，如此循环，第一电极210和第二电极220上便可以产生交流电。

在压力波产生的循环周期中，弧形管110内的液体会朝向第一电极210和第二电极220往复运动，且通过第一电极210和第二电极220输出交流电，实现声能向电能的转化，由此热声驱动液体摩擦发电机实现外部热能向电能的持续转换。

进一步地，在其他实施例中，也可以采用行波热声发动机进行驱动，行波热声发动机10的热功转化效率更高，利于进一步地提高发电量和发电效率。其中，为满足更高的发电量和发电效率需求，在本实施例中的行波热声发动机10数量为多个，例如2个、3个等，在此不做限定。

请参照图3，在本发明热声驱动液体摩擦发电机的第二实施例中，也即对应当行波热声发动机10的数量为2个时，可以使得弧形管110的两端分别连接一者即可，且两个热声发动机10之间通过反馈管1910形成循环。

工作状态下，热声发动机10的加热器130吸收外界高温热源热量形成高温端，水冷器140与外界循环冷却水换热形成室温端，从而在回热器190上建立起温度梯度，当温度梯度超过临界温度梯度时，热声发动机10开始工作，气体开始自激起振产生往复振荡的压力波动，从而实现将外部热量转化为声功输出。该声功一部分用于驱动弧形管110中的液体做向两侧积累的往复运动，从而输出电功。剩余部分声功通过反馈管1910重新进入水冷器140，并在回热器190两端温度梯度作用下，该声波被放大，以再次用于驱动液体在弧形管110内做做向两侧往复运动。

请参照图4，在本发明热声驱动液体摩擦发电机中的第三实施例中，也可以采用双作用行波热声发动机进行驱动，双作用行波热声发动机的热功转化效率更高，利于进一步地提高发电量和发电效率。在本实施例中，热声驱动液体摩擦发电机包括三个相同的热声驱动液体摩擦发电单元。每个热声驱动液体摩擦发电单元包括依次相连的一根弧形管110、一个双作用行波热声发动机以及一个液体摩擦发电机。双作用行波热声发动机包括依次连接的水冷器140、回热器190、加热器130、热缓冲管1920、次级水冷器180和弧形管110。弧形管110的一端与次级水冷器180相连接，弧形管110的另一端与下一个热声驱动液体摩擦发电单元的水冷器140相连接。

工作状态下，热声驱动液体摩擦发电机的加热器130吸收外界高温热源热量形成高温端，水冷器140与循环冷却水换热形成室温端，从而在回热器190上形成温度梯度，当回热器190达到一定温度梯度状态下，系统便自激起振产生往复振荡的压力波动，回热器190在该温度梯度条件下将热能转化成声能。声功的传播方向沿着温度梯度的正方向，先传递到热缓冲管1920和次级水冷器180，一部分声功用于驱动液体在弧形管110内做向两侧积累的往复运动，从而输出电功，余下的声功传递到下一级热声驱动液体摩擦发电机的回热器190中并被放大。

综上，本发明所提供的热声驱动液体摩擦发电机相较于传统的发电系统，结构更加简单、制作成本更低，且并没有采用液态金属，避免了引入液态金属带来的高成本、液态金属易氧化问题。且因为液体密度低于液态金属密度，由此本发明有效解决了现有的利用液体金属导电的热声发电机的运行频率低、比功率低的技术问题。本发明实施例提供的热声驱动液体摩擦发电机，通过摩擦发电机20和热声发动机10的配合，将声功转化为电功输出，实现了声制电的持续转化。

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 (10)

1.一种热声驱动液体摩擦发电机，其特征在于，包括：

热声发动机，一端设有弧形管，所述弧形管内注入液体，所述热声发动机产生的声功驱动液体往复运动，且对应液面位置上下浮动；

摩擦发电机，包括套设于所述弧形管外的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极设于所述弧形管的相对两侧，且所述第一电极和所述第二电极的底部至少部分与液面下方的管体位置相重叠。

2.根据权利要求1所述的热声驱动液体摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的中部与所述液体的液面位置相对应，且所述弧形管单侧的所述液面位移幅值分别小于所述第一电极或者所述第二电极在液面位置的相对两侧的长度。

3.根据权利要求2所述的热声驱动液体摩擦发电机，其特征在于，所述弧形管为U型管，且所述U型管的管壁材料与所述液体的材料得失电子能力不同。

4.根据权利要求3所述的热声驱动液体摩擦发电机，其特征在于，所述弧形管的材料为驻极体材料、绝缘体材料或半导体材料中的一者；

所述液体为水、离子液体或者盐溶液中的一者；

所述第一电极和所述第二电极的材料为金属导体或者合金。

5.根据权利要求1所述的热声驱动液体摩擦发电机，其特征在于，所述热声发动机采用气体工质。

6.根据权利要求5所述的热声驱动液体摩擦发电机，其特征在于，所述气体工质为氮气、氦气、二氧化碳或者氩气中的一者或其组合。

7.根据权利要求1所述的热声驱动液体摩擦发电机，其特征在于，所述热声发动机为驻波热声发动机；

所述驻波热声发动机包括依次连接的热腔、加热器、回热器、水冷器、以及设于所述弧形管远离所述水冷器一侧的气库。

8.根据权利要求1所述的热声驱动液体摩擦发电机，其特征在于，还包括浮子，设于所述弧形管的两个液面位置。

9.根据权利要求1所述的热声驱动液体摩擦发电机，其特征在于，还包括稳压管，所述稳压管的两端与所述弧形管相连接并与所述弧形管内液面的上方管内气体相连通。

10.根据权利要求1所述的热声驱动液体摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极之间还设有负载，所述第一电极和所述第二电极与所述负载电连接。

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