[发明专利]一种热声驱动的基于热释电效应的发电系统及方法

说明书

本发明涉及热能利用技术领域，提供了一种热声驱动的基于热释电效应的发电系统及方法，该系统包括热声发动机，还包括发电单元与填充有气体工质的密封管道；热声发动机与发电单元通过密封管道相连，热声发动机驱动气体工质产生自激振荡并与发电单元内的热释电材料换热，以使发电单元产生电流。本发明提供的热声驱动的基于热释电效应的发电系统，借助热声发动机驱动密封管道内的气体工质产生自激振荡，从而使气体工质与发电单元内的热释电材料进行热交换，利用热释电效应在发电单元中产生电流；整个系统无需机械运动部件，提高了可靠性，有利于延长使用寿命。

技术领域

本发明涉及热能利用技术领域，特别是涉及一种热声驱动的基于热释电效应的发电系统及方法。

背景技术

热释电效应是晶体的一种自然物理效应，是指当晶体受热或冷却后，由于温度的变化而导致自发式极化强度变化，从而在晶体某一方向产生表面极化电荷的现象。当dT/dt＝0时，即温度不随时间发生变化，则晶体的自发极化强度就不会发生改变，同时也就不会有热释电电流的产生；而当温度升高时，即dT/dt0，则晶体的自发极化强度会减小，这时如果将外电路用导线连接，那么电路中会有热释电电流产生，当温度逐渐升高并达到平衡时，晶体的自发极化强度也将不再发生变化；反之，当温度降低时，即dT/dt0，则晶体的自发极化强度会增大，在外电路中也相应地会有热释电电流的产生，直到达到新的平衡。利用热释电材料的热释电效应，通过对其进行间断式加热或冷却，就能产生热释电电流。热释电效应的产生主要是当热释电材料的温度处在其居里温度附近的温区之间。

热释电材料主要可以分为单晶材料(如TGS(硫酸三甘肽)等)、高分子有机聚合物及复合材料(如PVF(聚氟乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)等)和金属氧化物陶瓷及薄膜材料(如ZnO、BaTiO₃等)。不同热释电材料的居里温度有所不同。

基于热释电效应的发电技术一直受到学者们的广泛关注。Cuadras等人设计研发了一个能够从周期的温度波动中产生电性并给1μF电容器充电的热释电元件，供低能耗的自主传感器使用。王中林小组等人利用ZnO纳米棒阵列，KNbO₃纳米棒以及锆钛酸铅薄膜研制了一台热释电纳米发电机。热释电纳米发电机可以作为自驱动温度传感器，不需要外界供电便可以监测温度的变化情况。Leng等人首次提出了基于有机物聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)的微型热释电发电机并用于水能量采集。

但是，当前基于热释电效应的发电系统中大多包含有驱动传热流体往复运动机械泵或者阀门开关机构，这在一定程度上会降低系统的可靠性，同时也会降低系统的运行周期寿命。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种热声驱动的基于热释电效应的发电系统及方法，以解决现有的热释电发电系统中都包含有机械泵或者阀门开关机构，在一定程度上会降低系统的可靠性，同时也会降低系统的运行周期寿命的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种热声驱动的基于热释电效应的发电系统，包括热声发动机，还包括发电单元与填充有气体工质的密封管道；热声发动机与发电单元通过密封管道相连，热声发动机驱动气体工质产生自激振荡使所述气体工质作为传热工质与发电单元内的热释电材料换热，以使发电单元产生电流。

其中，热声发动机包括依次相连的第一加热器、发动机回热器以及第一室温换热器；发电单元包括依次相连的第二加热器、热释电材料板叠以及第二室温换热器；第一加热器的入口以及第二室温换热器的出口均与密封管道相连，第一室温换热器的出口与第二加热器的入口通过热缓冲管道相连。

其中，密封管道为U型管道；热声发动机为驻波型热声发动机；热声发动机与U型管道的第一竖直段相连，发电单元与U型管道的第二竖直段相连，第一竖直段与U型管道的弯曲段之间预留第一缓冲区，第二竖直段与弯曲段之间预留第二缓冲区，第一缓冲区与第二缓冲区之间的区域填充有液体工质。