[发明专利]一种热声发电装置

说明书

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。

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。