[发明专利]一种直线型双作用热声发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种热声发电系统，特别是涉及一种直线型双作用热声发电系统。

背景技术

电能被广泛应用在动力、照明、冶金、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展、国民经济飞跃的主要动力，是不可或缺的二次能源。火力发电和核能发电是我国目前主要的电力来源。但是火力发电不光耗费煤炭和石油等不可再生资源，并且或伴随有大量的污染和废气；核能发电的核废料也会对环境造成较大的影响，并且存在安全隐患。太阳能、潮汐能、水能、风能、地热能、生物质能虽然是可持续发展能源，但由于技术上或地域上的缺陷，目前也难以供应社会需求。随着热声技术的发展，人们意识到可以将热声发动机产生的声波能进一步转换为电能，这将是一种可靠、环保、多元化驱动源的新型发电系统。在适当的匹配下，其效率甚至可以超越现有的发电技术，这在能源危机和环境危机日益严峻的当今具有重要的科学研究价值和良好的市场前景。

热声发动机是一种无运动部件、运行可靠、高效率、无污染的发动机系统，而直线型发电机是一种声电转换装置，由于采用了板弹簧支撑和间隙密封，消除了摩擦损失，在理论上其可以获得极高的声电转换效率，是近年来研究的热点。在热声发电系统中，热声发动机产生的声功驱动直线发电机进而将声功转化成可以利用的电能，能够获得很高的效率。

传统的热声发电机系统中热声发动机都采用了谐振管结构。图1所示为传统的行波型热声发电系统，该系统由热声发动机2和直线型发电机4所组成。所述热声发动机2包括主室温换热器13、回热器14、热端换热器15、热缓冲管16、次室温换热器17以及反馈管9和谐振管10。对所述主室温换热器13和次室温换热器17通冷却水，温度维持在室温范围，对所述热端换热器15加热，随着其温度的升高在所述回热器14两端形成一定的温度梯度，产生热声转换效应，将热量转换为声功沿着温度梯度方向输出。其中一部分声功进入所述反馈管9流回所述主室温换热器13，一部分声功进入所述谐振管10耗散，剩余的声功输入到所述直线型发电机4，直线型发电机将声功转换为电能进行发电。所述直线型发电机4接收由所述热声发动机2输出的声功，进行声电转换对外接负载发电；其组成包括压缩活塞8、与所述压缩活塞8相连的压缩机动子6、固定所述动子6的板弹簧7、绕制于所述动子6外围的定子线圈5，所述直线型发电机4采用对置式结构，能够大幅度的减少装置工作时的震动。

图2所示为传统的驻波型热声发电系统，该系统由热声发动机2和直线型发电机4所组成。所述热声发动机2包括热端换热器15、回热器14、室温换热器13以及热腔9和谐振管10。对所述室温换热器13通冷却水，温度维持在室温范围，对所述热端换热器15加热，随着其温度的升高在所述回热器14两端形成一定的温度梯度，产生热声转换效应，将热量转换为声功沿着温度梯度方向输出。其中一部分声功进入所述谐振管10耗散，剩余的声功输入到所述直线型发电机4，直线型发电机将声功转换为电能进行发电。所述直线型发电机4接收由所述热声发动机2输出的声功，进行声电转换对外接负载发电；其组成包括压缩活塞8、与所述压缩活塞8相连的压缩机动子6、固定所述动子6的板弹簧7、绕制于所述动子6外围的定子线圈5，所述直线发电机4采用对置式结构，能够大幅度的减少装置工作时的震动。

这两种结构的弊端在于，谐振管的体积过于庞大，导致系统功率密度过低，并需要对热端提供很高的温度才能达到一定的压比，同时如此庞大的结构也制约了其进一步实际应用。此外，热声发动机产生的声功只有一部分输入到直线型压缩机中进行利用，而流入谐振管的声功都没有被回收利用而是直接耗散，这对于进一步提高热声发动机性能是不利的。

图3所示为新型的双作用热声发电系统，此系统由三个完全相同的热声发动机2和直线型双作用发电机3首位相连而成，因此热声发动机两端的相位差被锁定在120°。所述热声发动机2包括主室温换热器13、回热器14、热端换热器15、热缓冲管16、次室温换热器17。对所述主室温换热器13和次室温换热器17通冷却水，温度维持在室温范围，对所述热端换热器15加热，随着其温度的升高在所述回热器14两端形成一定的温度梯度，产生热声转换效应，将热量转换为声功沿着温度梯度方向输出。所述直线型双作用发电机3包括膨胀活塞18、板弹簧19、定子线圈20、动子21、板弹簧22、压缩活塞23。所述膨胀活塞18、板弹簧19、板弹簧22和压缩活塞23固定在同一跟轴上。热声发动机2输出的声功完全被膨胀活塞18所吸收，在直线型双作用发电机处进行声电转换，将输入的声功转换为电能对外接负载输出。