CN114320795A - 利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，热声发电回路包括至少两组热声发电单元以及与热声发电单元连接的连接管；每组热声发电单元包括直线电机和热声发动机，直线电机和热声发动机通过连接管连接，热声发动机通过连接管与热声发电回路中相邻的热声发电单元连接；热声发动机包括第一室温换热器和第二室温换热器，并联设置于第一室温换热器和第二室温换热器之间的至少两组热声组件；低温冷能供应系统依次与并联设置的热声组件串联，在热声组件的一端形成温度呈梯级分布的低温端；低品位热能供应系统依次与并联设置的热声组件串联，在热声组件的另一端形成温度呈梯级分布的高温端。本发明通过热声技术实现冷能回收和余热利用。

Description

利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统

技术领域

本发明实施例涉及能源技术领域，尤其涉及一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统。

背景技术

能源的潜在危机和生态环境的恶化使世界各国积极开发利用低品位热能。天然气是当今世界能源消耗的重要组成部分。天然气低温液化后的LNG，其体积只有原体积的1/625，便于天然气的储运。储运过程中，LNG维持在110K，0.1MPa的低温环境中。若使用天然气，一般需要先将LNG气化。在气化过程中，LNG有大量冷量的释放，若释放的冷量直接排放至环境中，则会造成冷量的浪费。同时，在工业上常常会有大量低品位余热，这部分余热一般方法下难以利用，通常只能直接排放至环境中，未能得到有效利用。

目前来看，对于如何进行冷量回收和低品位余热利用，热声发电机是一个很好的选择。热声发电机是一种基于热致声效应的能源装置，其主要由热声发动机和直线电机组成，其中热声发动机通过管道和换热器建立声场，并利用工质气体在回热器中与固体填料互相作用，将外界热能转换为声能。热声发动机产生的声能传递至直线电机，直线电机将声能转换为电能，实现冷能回收和余热利用。热声发电机具有可靠性高，寿命长和维护成本低的优势，并且具有较高的潜在发电效率，因此具有很高的市场潜力和发展前景。

有鉴于此提出本发明实施例。

发明内容

本发明实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明实施例提出一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，用以解决现有技术中如何进行冷量回收和低品位余热利用的问题，采用热声发动机通过管道和换热器建立声场，并利用工质气体在回热器中与固体填料互相作用，将外界热能转换为声能。热声发动机产生的声能传递至直线电机，直线电机将声能转换为电能，实现冷能回收和余热利用。

根据本发明实施例的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，包括：热声发电回路、低温冷能供应系统和低品位热能供应系统；

所述热声发电回路包括至少两组热声发电单元以及与所述热声发电单元连接的连接管；

每组所述热声发电单元包括直线电机和热声发动机，所述直线电机和所述热声发动机通过所述连接管连接，所述热声发动机通过所述连接管与所述热声发电回路中相邻的所述热声发电单元连接；

所述热声发动机包括第一室温换热器和第二室温换热器，以及并联设置于所述第一室温换热器和所述第二室温换热器之间的至少两组所述热声组件；

所述低温冷能供应系统依次与并联设置的所述热声组件串联，在所述热声组件的一端形成温度呈梯级分布的低温端；

所述低品位热能供应系统依次与并联设置的所述热声组件串联，在所述热声组件的另一端形成温度呈梯级分布的高温端。

根据本发明实施例的一种实施方式，所述热声组件包括自所述第一室温换热器向所述第二室温换热器依次设置的第一热缓冲管、低温端换热器、回热器、高温端换热器和第二热缓冲管；

所述低温冷能供应系统与所述低温端换热器连接，所述低品位热能供应系统与所述高温端换热器连接。

具体来说，低温冷能供应系统与低温端换热器连接，实现了低温冷能与低温端换热器的能量转换，低温冷能通过与低温端换热器的串联，使得低温冷能逐级吸收热量而温度升高，在低温端换热器形成梯度的冷能分布区间。

进一步地，低品位热能供应系统与高温端换热器连接，实现了低品位热能的能量转换，低品位热能通过与高温端换热器的串联，使得低品位热能的热量逐级被吸收而温度降低，在高温端换热器形成梯度的热能分布区间。

需要说明的是，通过设置与低温冷能供应系统连接的多个并联的低温换热器，以及设置与低品位热能供应系统连接的多个并联的高温换热器，实现对从低温温区到高温温区之间的所有冷能和热能的回收利用。

根据本发明实施例的一种实施方式，所述低温冷能供应系统提供的冷能依次从并联设置的所述低温端换热器进入所述热声发动机；

所述低品位热能供应系统提供的热能依次从并联设置的所述高温端换热器进入所述热声发动机；

其中，所述低温冷能供应系统提供的冷能进入所述热声发动机的方向与所述低品位热能供应系统提供的热能进入所述热声发动机的方向相反。

具体来说，方向相反的设置使得每个热声组件的温差基本相同，这样每个热声组件的输出都很稳定。

根据本发明实施例的一种实施方式，所述低温冷能供应系统提供的冷能依次通过每个所述低温端换热器进行热交换后升温至室温。

具体来说，通过将低温冷能升温至室温后，一方面对冷能释放的能量进行回收利用，另一方面实现对回到室温冷能的利用提供换热方案。

根据本发明实施例的一种实施方式，所述低温冷能供应系统提供的冷能来自于液化天然气或液氮。

具体来说，通过将液化天然气或液氮中的冷能进行释放，即实现了冷能的回收，又实现了天然气和氮气的使用。

根据本发明实施例的一种实施方式，所述低品位热能供应系统提供的热能依次通过每个所述高温端换热器进行热交换后降温至室温。

具体来说，通过将低品位的热能降温至室温后，实现了无污染的排放。

根据本发明实施例的一种实施方式，所述低品位热能供应系统提供的热能来自于太阳能或工业废热。

具体来说，提出了对太阳能或工业废热的利用实施方式。

根据本发明实施例的一种实施方式，所述直线电机包括支撑结构、动子、定子、活塞和负载；

所述支撑结构设置为所述直线电机的外壳；

所述活塞设置于所述支撑结构的内部并与所述动子连接；

所述定子绕设于所述动子的外部；

所述负载与所述活塞连接；

其中，所述负载为电阻和/或电网。

具体来说，直线电机不仅能将声功转化为电功输出，同时直线电机中的活塞也能调节阻抗，实现直线电机和热声发动机单元的声阻抗匹配，从而获得较高的热电转换效率和较大的发电量。

根据本发明实施例的一种实施方式，所述直线电机与所述热声发动机并联设置；

其中，所述连接管为谐振管。

具体来说，通过直线电机旁接于谐振管，实现了将声功转化为电功。

根据本发明实施例的一种实施方式，所述直线电机与所述热声发动机串联设置。

具体来说，直线电机替代谐振管串联在系统中，取消了谐振管的设置，减少了占用的空间，整机系统更加紧凑，又避免了谐振管较大的声功损耗，因此得到更高的效率。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本发明实施例提供的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，采用热声发动机通过管道和换热器建立声场，并利用工质气体在回热器中与固体填料互相作用，将外界热能转换为声能。热声发动机产生的声能传递至直线电机，直线电机将声能转换为电能，实现冷能回收和余热利用；同时，实现冷能和余热的梯级利用，有效提高了能源利用率；并且，环路结构系统较传统热声发电系统结构更加紧凑、效率更高。

本发明实施例的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实施例的实践了解到。

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实施例的一些实施例，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是本发明实施例提供的利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统布置关系第一示意图；

图2是本发明实施例提供的利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统中，热声发动机装配关系示意图；

图3是本发明实施例提供的利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统中，直线电机装配关系示意图；

图4是本发明实施例提供的利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统布置关系第二示意图；

图5是本发明实施例提供的利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统布置关系第三示意图；

图6是本发明实施例提供的利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统布置关系第四示意图。

附图标记：

100、热声发电回路；

110、热声发电单元；

120、连接管；

130、直线电机；131、支撑结构；132、动子；133、定子；134、活塞；

140、热声发动机；

150、第一室温换热器；

160、第二室温换热器；

170、热声组件；171、第一热缓冲管；172、低温端换热器；173、回热器；174、高温端换热器；175、第二热缓冲管；

200、低温冷能供应系统；

300、低品位热能供应系统。

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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图6所示，本发明提供的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，该热声发电系统由N组热声发动机140、N台直线电机130和连接管120组成，N为正整数，N组热声发动机140通过连接管120首尾相连构成环路系统。直线电机130有两种连接方式：其一是旁接于谐振管；其二是串接于环路，通过连接管120替代谐振管连接各级热声发动机140。本热声发电系统所使用是工质包括但不限于氦气、氢气、氮气和多种组分构成的混合工质。

其中，每组热声发动机140包含第一室温换热器150、M台热声组件170和第二室温换热器160，M为任意正整数。每台热声组件170包括依次相连的第一热缓冲管171、低温端换热器172、回热器173、高温端换热器174和第二热缓冲管175。热声组件170的第一热缓冲管171和第一室温换热器150连接，另一端通过热声组件170的第二热缓冲管175和第二室温换热器160连接，实现热声组件170并联，构成一台热声发动机140。

此外，直线电机130由活塞134、对活塞134起支撑作用的支撑结构131与活塞134相连的发电机动子132、绕制于发电机动子132外围的发电机定子133组成。直线电机130的负载为电阻、电网或其他。直线电机130不仅能将声功转化为电功输出，同时直线电机130中的活塞134也能调节阻抗，实现直线电机130和热声发动机140的声阻抗匹配，从而获得较高的热电转换效率和较大的发电量。

在每台热声发动机140中，余热热源依次通过每组热声发动机140中的M台热声组件170的高温端换热器174，热源的热量逐级被吸收而温度下降，导致通过的高温端换热器174温度逐级降低；在热源通过最后一级高热端换热器后温度降低至室温。冷源特别是LNG冷源以余热热源相反的方向依次通过每组热声发动机140中的M台热声组件170的低温端换热器172，冷源逐级吸收热量而温度升高，导致通过的低温端换热器172温度逐级升高；在冷源通过最后一级的低温端换热器172后温度升高到室温。因此，在每组热声发动机140中的M台热声组件170的回热器173两端均形成温度梯度，系统在该温度梯度下发生自激起振，从而实现热能向声功的转换。

进一步地，热声组件170产生的声功沿着温度梯度的正方向传递到该组热声组件170的第二热缓冲管175、第二室温换热器160和谐振管，最后传递到直线电机130中。直线电机130将一部分的声功转化为电功，剩余的声功则通过谐振管传递到下一组热声发动机140中，在通过第一室温换热器150和第一热缓冲管171后，剩余的声功在回热器173中继续放大，实现了声功的回收利用，提高了整机能量效率。同时，这组热声发动机140在本单元的温差梯度下产生声功，依次传递到下一级中，将声功转化为电功。

进一步地，在每台热声组件170的回热器173两端形成温度梯度，每个热声组件170在各自的温度梯度下自激起振，将热能转化成声功。热声组件170产生的声功沿着温度梯度的正方向传递到该组热声组件170的第二热缓冲管175、第二室温换热器160和谐振管，最后传递到直线电机130中。直线电机130将一部分的声功转化为电功，剩余的声功则通过谐振管传递到下一组热声发动机140中的每台热声组件170中，在通过第一室温换热器150和第一热缓冲管171后在经过回热器173时剩余的声功放大，并在本单元的温差梯度下产生声功，依次传递到下一级中，将声功转化为电功。

进一步地，每台热声发动机140中，高于TH的余热热源依次通过每组热声发动机140中的热声组件170的高温端换热器174，热源的热量逐级被吸收而温度降低，导致通过的高温端换热器174温度逐级降低；在热源通过最后一高热端换热器后降低至室温TA。温度为TC的冷源以余热热源相反的方向依次通过每组热声发动机140中的热声组件170的低温端换热器172，冷源逐级吸收热量而温度升高，导致通过的低温端换热器172温度逐级升高；在冷源通过最后一级低温端换热器172后温度达到室温TA。因此，在每组热声发动机140中的热声组件170的回热器173两端均形成温度梯度，系统在该温度梯度下发生自激起振，从而实现热能向声功的转换。

进一步地，热声组件170产生的声功沿着温度梯度的正方向传递到该组热声组件170的第二热缓冲管175、第二室温换热器160和谐振管，最后传递到旁接的直线电机130中。直线电机130将一部分的声功转化为电功，剩余的声功则通过谐振管传递到下一组热声发动机140中重复上述过程。因此，该系统能够实现声功的回收利用，从而提高了整机效率。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一些实施方案中，如图1至图6所示，本方案提供一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，包括：热声发电回路100、低温冷能供应系统200和低品位热能供应系统300；热声发电回路100包括至少两组热声发电单元110以及与热声发电单元110连接的连接管120；每组热声发电单元110包括直线电机130和热声发动机140，直线电机130和热声发动机140通过连接管120连接，热声发动机140通过连接管120与热声发电回路100中相邻的热声发电单元110连接；热声发动机140包括第一室温换热器150和第二室温换热器160，以及并联设置于第一室温换热器150和第二室温换热器160之间的至少两组热声组件170；低温冷能供应系统200依次与并联设置的热声组件170串联，在热声组件170的一端形成温度呈梯级分布的低温端；低品位热能供应系统300依次与并联设置的热声组件170串联，在热声组件170的另一端形成温度呈梯级分布的高温端。

本发明实施例提供的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，采用热声发动机140通过管道和换热器建立声场，并利用工质气体在回热器173中与固体填料互相作用，将外界热能转换为声能。热声发动机140产生的声能传递至直线电机130，直线电机130将声能转换为电能，实现冷能回收和余热利用；同时，实现冷能和余热的梯级利用，有效提高了能源利用率；并且，环路结构系统较传统热声发电系统结构更加紧凑、效率更高。

在一些实施例中，热声组件170包括自第一室温换热器150向第二室温换热器160依次设置的第一热缓冲管171、低温端换热器172、回热器173、高温端换热器174和第二热缓冲管175；低温冷能供应系统200与低温端换热器172连接，低品位热能供应系统300与高温端换热器174连接。

具体来说，低温冷能供应系统200与低温端换热器172连接，实现了低温冷能与低温端换热器172的能量转换，低温冷能通过与低温端换热器172的串联，使得低温冷能逐级吸收热量而温度升高，在低温端换热器172形成梯度的冷能分布区间。

进一步地，低品位热能供应系统300与高温端换热器174连接，实现了低品位热能的能量转换，低品位热能通过与高温端换热器174的串联，使得低品位热能的热量逐级被吸收而温度降低，在高温端换热器174形成梯度的热能分布区间。

需要说明的是，通过设置与低温冷能供应系统200连接的多个并联的低温换热器，以及设置与低品位热能供应系统300连接的多个并联的高温换热器，实现对从低温温区到高温温区之间的所有冷能和热能的回收利用。

在一些实施例中，低温冷能供应系统200提供的冷能依次从并联设置的低温端换热器172进入热声发动机140；低品位热能供应系统300提供的热能依次从并联设置的高温端换热器174进入热声发动机140；其中，低温冷能供应系统200提供的冷能进入热声发动机140的方向与低品位热能供应系统300提供的热能进入热声发动机140的方向相反。

具体来说，方向相反的设置使得每个热声组件170的温差基本相同，这样每个热声组件170的输出都很稳定。

在一些实施例中，低温冷能供应系统200提供的冷能依次通过每个低温端换热器172进行热交换后升温至室温。

具体来说，通过将低温冷能升温至室温后，一方面对冷能释放的能量进行回收利用，另一方面实现对回到室温冷能的利用提供换热方案。

在一些实施例中，低温冷能供应系统200提供的冷能来自于液化天然气或液氮。

具体来说，通过将液化天然气或液氮中的冷能进行释放，即实现了冷能的回收，又实现了天然气和氮气的使用。

在一些实施例中，低品位热能供应系统300提供的热能依次通过每个高温端换热器174进行热交换后降温至室温。

具体来说，通过将低品位的热能降温至室温后，实现了无污染的排放。

在一些实施例中，低品位热能供应系统300提供的热能来自于太阳能或工业废热。

具体来说，提出了对太阳能或工业废热的利用实施方式。

在一些实施例中，直线电机130包括支撑结构131、动子132、定子133、活塞134和负载；支撑结构131设置为直线电机130的外壳；活塞134设置于支撑结构131的内部并与动子132连接；定子133绕设于动子132的外部；负载与活塞134连接；其中，负载为电阻和/或电网。

具体来说，直线电机130不仅能将声功转化为电功输出，同时直线电机130中的活塞134也能调节阻抗，实现直线电机130和热声发动机140的声阻抗匹配，从而获得较高的热电转换效率和较大的发电量。

在一些实施例中，如图1、图3和图5所示，直线电机130与热声发动机140并联设置；其中，连接管120为谐振管。

具体来说，通过直线电机130旁接于谐振管，实现了将声功转化为电功。

在一些实施例中，如图6所示，直线电机130与热声发动机140串联设置。

具体来说，直线电机130替代谐振管串联在系统中，取消了谐振管的设置，减少了占用的空间，整机系统更加紧凑，又避免了谐振管较大的声功损耗，因此得到更高的效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，其特征在于，包括：热声发电回路、低温冷能供应系统和低品位热能供应系统；

所述热声发电回路包括至少两组热声发电单元以及与所述热声发电单元连接的连接管；

每组所述热声发电单元包括直线电机和热声发动机，所述直线电机和所述热声发动机通过所述连接管连接，所述热声发动机通过所述连接管与所述热声发电回路中相邻的所述热声发电单元连接；

所述热声发动机包括第一室温换热器和第二室温换热器，以及并联设置于所述第一室温换热器和所述第二室温换热器之间的至少两组所述热声组件；

所述低温冷能供应系统依次与并联设置的所述热声组件串联，在所述热声组件的一端形成温度呈梯级分布的低温端；

所述低品位热能供应系统依次与并联设置的所述热声组件串联，在所述热声组件的另一端形成温度呈梯级分布的高温端。

2.根据权利要求1所述的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，其特征在于，所述热声组件包括自所述第一室温换热器向所述第二室温换热器依次设置的第一热缓冲管、低温端换热器、回热器、高温端换热器和第二热缓冲管；

所述低温冷能供应系统与所述低温端换热器连接，所述低品位热能供应系统与所述高温端换热器连接。

3.根据权利要求2所述的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，其特征在于，所述低温冷能供应系统提供的冷能依次从并联设置的所述低温端换热器进入所述热声发动机；

所述低品位热能供应系统提供的热能依次从并联设置的所述高温端换热器进入所述热声发动机；

其中，所述低温冷能供应系统提供的冷能进入所述热声发动机的方向与所述低品位热能供应系统提供的热能进入所述热声发动机的方向相反。

4.根据权利要求3所述的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，其特征在于，所述低温冷能供应系统提供的冷能依次通过每个所述低温端换热器进行热交换后升温至室温。

5.根据权利要求4所述的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，其特征在于，所述低温冷能供应系统提供的冷能来自于液化天然气或液氮。

6.根据权利要求3所述的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，其特征在于，所述低品位热能供应系统提供的热能依次通过每个所述高温端换热器进行热交换后降温至室温。

7.根据权利要求6所述的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，其特征在于，所述低品位热能供应系统提供的热能来自于太阳能或工业废热。

8.根据权利要求1至7任一所述的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，其特征在于，所述直线电机包括支撑结构、动子、定子、活塞和负载；

所述支撑结构设置为所述直线电机的外壳；

所述活塞设置于所述支撑结构的内部并与所述动子连接；

所述定子绕设于所述动子的外部；

所述负载与所述活塞连接；

其中，所述负载为电阻和/或电网。

9.根据权利要求8所述的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，其特征在于，所述直线电机与所述热声发动机并联设置；

其中，所述连接管为谐振管。

10.根据权利要求8所述的一种利用梯级热能和梯级冷能的热声发电系统，其特征在于，所述直线电机与所述热声发动机串联设置。

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