本發(fā)明涉及熱聲發(fā)電機設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多級熱聲發(fā)電機組及具有該機組的多級回?zé)崾街评湎到y(tǒng)。

背景技術(shù)：

熱聲發(fā)動機是將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的新型動力裝置，如果將其與發(fā)電機相連，將機械能轉(zhuǎn)化為電能就構(gòu)成了一種熱聲發(fā)電機。熱聲發(fā)電機是一種外燃式的發(fā)電設(shè)備，可以利用廢熱、太陽能、工業(yè)余熱等進(jìn)行發(fā)電，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前現(xiàn)有的熱聲發(fā)動機如圖1所示，其核心部件包括主水冷器1、回?zé)崞?、加熱器3、熱緩沖管4和次水冷器5。當(dāng)聲波形式的機械能從主水冷器1處輸入，如果此時加熱器3被加熱，在回?zé)崞?的軸線方向形成一定的溫度梯度時，聲波的能量就會在回?zé)崞?被放大，從而在次水冷器5處向外輸出更多的機械能。聲波形式的機械能可以推動發(fā)電機的活塞6運動，切割磁力線，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能。次水冷器5主要是使發(fā)電機活塞6工作在較低的溫度，熱緩沖管4則是用來連接高溫的加熱器3和處于較低溫度的次水冷器5，起到熱緩沖、減少熱量損失的作用。輸入發(fā)動機的聲波可以由壓縮機活塞7往復(fù)運動產(chǎn)生。

根據(jù)實驗表明：如果熱聲發(fā)動機的加熱器3的溫度為873K，兩個室溫水冷器溫度300K，那么聲波經(jīng)過熱聲發(fā)動機后其能量一般能放大到原來的2.5倍左右，熱聲發(fā)動機將熱能轉(zhuǎn)換為聲能的效率約為40％左右，一般壓縮機和發(fā)電機的效率在85％左右。假設(shè)壓縮機輸出聲功為1kW，那么壓縮機耗費電功約為1.176kW，發(fā)動機的輸出聲功約為2.5kW，消耗的熱能約為3.75kW，發(fā)電機的輸出電功約為2.125kW，這樣的凈輸出電功約為0.959kW，則整機的熱電效率為25.3％?？梢?，雖然熱聲發(fā)動機的熱到功的效率可達(dá)40％，但是因為兩次電與功之間的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的熱電效率已經(jīng)變得非常低。

為了消除壓縮機電聲轉(zhuǎn)換過程的損失，提高效率，有人提出了另一種熱聲發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。如圖2所示，利用一根反饋管11將從熱聲發(fā)動機流出的一部分聲功反饋回?zé)崧暟l(fā)動機的主水冷器，實現(xiàn)聲功的循環(huán)放大。這種結(jié)構(gòu)中整機的發(fā)電效率基本等于發(fā)動機的熱聲轉(zhuǎn)換效率與發(fā)電機的聲電轉(zhuǎn)換效率，即34％左右。在該結(jié)構(gòu)中雖然沒有的壓縮機的電聲轉(zhuǎn)換過程，效率可以提高，但是發(fā)電機活塞處的壓力波和體積流的相位角接近90°(圖1結(jié)構(gòu)中對應(yīng)的相位角為60°左右)，這使得在同樣的發(fā)電量情況下發(fā)電機活塞的掃氣量將增加數(shù)倍，給電機的設(shè)計帶來了很大的難度，因此也沒有被廣泛采用。

目前也還存在聲學(xué)雙作用發(fā)動機和機械雙作用的結(jié)構(gòu)形式，前者諧振管損失大，效率較低，后者系統(tǒng)存在系統(tǒng)工作失穩(wěn)的問題，因此也都沒有被廣泛使用。

綜上，現(xiàn)有熱聲發(fā)電機存在效率較低、電機匹配設(shè)計困難等不足；另外，目前的熱聲發(fā)電機的加熱器的溫度通常為定值，難以對不同溫度品位的熱能進(jìn)行梯級利用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供了一種多級熱聲發(fā)電機組及具有該機組的多級回?zé)崾街评湎到y(tǒng)，可以提高熱聲發(fā)電機組的熱電效率，同時還可以實現(xiàn)對不同品位熱能的梯級利用。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種多級熱聲發(fā)電機組，包括多組熱聲發(fā)動機，多組所述熱聲發(fā)動機順次串聯(lián)于壓縮機和發(fā)電機之間，且各組所述熱聲發(fā)動機之間均通過諧振子組件耦合，所述諧振子組件用于使各組所述熱聲發(fā)動機內(nèi)均能同時形成行波聲場。

進(jìn)一步的，所述諧振子組件包括質(zhì)量活塞和諧振彈簧，每組所述熱聲發(fā)動機的一端均設(shè)有聲波入口，另一端均設(shè)有機械能出口，所述諧振彈簧的一端固定，另一端與所述質(zhì)量活塞連接，所述質(zhì)量活塞設(shè)置于相鄰兩組所述熱聲發(fā)動機的機械能出口和聲波入口之間。

進(jìn)一步的，所述質(zhì)量活塞與諧振彈簧串聯(lián)安裝于相鄰兩組所述熱聲發(fā)動機的機械能出口和聲波入口之間。

進(jìn)一步的，相鄰兩組所述熱聲發(fā)動機的機械能出口和聲波入口之間設(shè)有旁通凹槽，所述質(zhì)量活塞安裝于旁通凹槽內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述諧振子組件包括諧振管，所述諧振管的內(nèi)徑小于所述熱聲發(fā)動機的內(nèi)徑。

進(jìn)一步的，所述熱聲發(fā)動機包括順次連接的主水冷器、回?zé)崞骱图訜崞?，所述主水冷器與壓縮機連接，所述加熱器與發(fā)電機連接。

進(jìn)一步的，所述熱聲發(fā)動機還包括熱緩沖管和次水冷器，所述熱緩沖管和次水冷器順次連接于所述加熱器和發(fā)電機之間、或者加熱器和諧振子之間。

進(jìn)一步的，所述壓縮機設(shè)有壓縮機活塞，所述主水冷器與壓縮機活塞連接。

進(jìn)一步的，所述發(fā)電機設(shè)有發(fā)電機活塞，所述次水冷器與發(fā)電機活塞連接。

本發(fā)明還提供了一種多級回?zé)崾街评湎到y(tǒng)，其特征在于，包括如上所述的多級熱聲發(fā)電機組。

(三)有益效果

本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有以下有益效果：本發(fā)明的多級熱聲發(fā)電機組包括多組熱聲發(fā)動機，多組熱聲發(fā)動機順次串聯(lián)于壓縮機和發(fā)電機之間，且各組熱聲發(fā)動機之間均通過諧振子組件耦合，諧振子組件用于使各組熱聲發(fā)動機內(nèi)均能同時形成行波聲場，利用諧振子組件使得相鄰兩組熱聲發(fā)動機組之間獲得良好的匹配，在各組熱聲發(fā)動機組內(nèi)能同時形成行波聲場，從而提高熱聲發(fā)電機組的熱電效率，同時，將各組熱聲發(fā)動機的工作溫度設(shè)定為不同溫度，從而還可以使得該多級熱聲發(fā)電機組實現(xiàn)對不同品位熱能的梯級利用，以使得具有該機組的多級回?zé)崾街评湎到y(tǒng)具有更高的熱電轉(zhuǎn)換效率，最大限度提高系統(tǒng)工作效率。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的一種熱聲發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)的另一種熱聲發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例一的熱聲發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例二的熱聲發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例三的熱聲發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例四的熱聲發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1、主水冷器；2、回?zé)崞鳎?、加熱器；4、熱緩沖管；5、次水冷器；6、發(fā)電機活塞；7、壓縮機活塞；8、質(zhì)量活塞；9、諧振彈簧；10、諧振管；11、反饋管。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。

在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”或“多組”的含義是兩個(兩組)或兩個(兩組)以上。術(shù)語“上”、“下”、“左”、“右”、“內(nèi)”、“外”、“前端”、“后端”、“頭部”、“尾部”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

實施例一

如圖3所示，本實施例提供的多級熱聲發(fā)電機組包括多組熱聲發(fā)動機，多組熱聲發(fā)動機順次串聯(lián)于壓縮機和發(fā)電機之間，且各組熱聲發(fā)動機之間均通過諧振子組件耦合，諧振子組件用于使各組熱聲發(fā)動機內(nèi)均能同時形成行波聲場，利用諧振子組件使得相鄰兩組熱聲發(fā)動機組之間獲得良好的匹配，在各組熱聲發(fā)動機組內(nèi)能同時形成行波聲場，從而提高熱聲發(fā)電機組的熱電效率，同時，將各組熱聲發(fā)動機的工作溫度設(shè)定為不同溫度，從而還可以使得該多級熱聲發(fā)電機組實現(xiàn)對不同品位熱能的梯級利用。

熱聲發(fā)動機包括順次連接的主水冷器1、回?zé)崞?、加熱器3、熱緩沖管4和次水冷器5，主水冷器1與壓縮機連接，次水冷器5與發(fā)電機連接，此外，熱緩沖管4和次水冷器5還可以順次連接于加熱器3和諧振子組件之間。為了保證輸入熱聲發(fā)動機的聲波的可靠生成，優(yōu)選主水冷器1通過壓縮機活塞7與壓縮機連接，利用壓縮機活塞7的往復(fù)運動，能夠生成可靠的聲波，因此熱聲發(fā)動機與壓縮機活塞7連接的一端為聲波入口。為了保證熱聲發(fā)動機產(chǎn)生的機械能能夠可靠轉(zhuǎn)換為電能，優(yōu)選次水冷器5通過發(fā)電機活塞6與發(fā)電機連接，熱聲發(fā)動機利用機械能推動發(fā)電機活塞6的運動，使其切割磁力線，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能，因此，熱聲發(fā)動機與發(fā)電機活塞6連接的一端為機械能出口。

本實施例一的多級熱聲發(fā)電機組中，兩組熱聲發(fā)動機順次安裝于壓縮機和發(fā)電機之間，且兩組熱聲發(fā)動機之間通過諧振子組件耦合，具體的，本實施例一的諧振子組件包括質(zhì)量活塞8和諧振彈簧9，由于每組熱聲發(fā)動機的一端均設(shè)有聲波入口，另一端均為機械能出口，則相鄰兩組熱聲發(fā)動機中，前一組熱聲發(fā)動機的機械能出口與后一組熱聲發(fā)動機的聲波入口連通，以確保多組熱聲發(fā)動機之間的能量轉(zhuǎn)換的方向一致；質(zhì)量活塞8和諧振彈簧9安裝于相鄰兩組熱聲發(fā)動機的機械能出口和聲波入口之間，諧振彈簧9與質(zhì)量活塞8連接，質(zhì)量活塞8可朝向熱聲發(fā)動機的聲波入口方向往復(fù)運動。。

對于熱聲發(fā)動機來說，要實現(xiàn)較高的熱聲轉(zhuǎn)換效率，其內(nèi)部的聲場條件至關(guān)重要，必須在回?zé)崞?中部實現(xiàn)行波聲場，而行波聲場是通過調(diào)節(jié)壓縮機活塞7和發(fā)電機活塞6質(zhì)量、以及其內(nèi)部的彈簧剛度來實現(xiàn)的，各組熱聲發(fā)動機之間均通過諧振子組件耦合，諧振子組件能通過調(diào)節(jié)質(zhì)量活塞8的動質(zhì)量和彈簧剛度，使相鄰的兩個熱聲發(fā)動機之間獲得良好的匹配，從而實現(xiàn)在兩個熱聲發(fā)動機的回?zé)崞?內(nèi)同時產(chǎn)生行波聲場。諧振子組件具有傳遞聲波匹配聲場的作用，而不進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，因此能量通過該諧振子組件時具有很高的通過效率，通?？蛇_(dá)95％左右。

假設(shè)發(fā)電機、壓縮機、熱聲發(fā)動機的效率等參數(shù)與背景技術(shù)中所述相同，那么本實施例一的多級熱聲發(fā)電機組中，以靠近壓縮機的熱聲發(fā)動機為一級熱聲發(fā)動機，靠近發(fā)電機的熱聲發(fā)動機為二級熱聲發(fā)動機，則1kW的聲功輸入一級熱聲發(fā)動機時，消耗電功仍然是1.176kW，一級熱聲發(fā)動機輸出的聲功為2.5kW，經(jīng)過諧振子組件的諧振后聲功變?yōu)?.375kW，二級熱聲發(fā)動機輸出的聲功為5.938kW，發(fā)電機輸出電功為5.047kW，熱聲發(fā)電機總的熱電轉(zhuǎn)換效率則為30.58％。可見增加了一級熱聲發(fā)動機后，系統(tǒng)的總效率大幅度提高了。

此外，為了保證能夠?qū)崿F(xiàn)對不同品位熱能的梯級利用，在該多級熱聲發(fā)電機組中，各個熱聲發(fā)動機的加熱器3可以采用不同的加熱溫度，例如，如果有900K的煙氣，可以利用其中一個熱聲發(fā)動機為一級熱聲發(fā)動機，使一級熱聲發(fā)動機的加熱器3吸收煙氣熱量，將其溫度降低到800K左右(使一級熱聲發(fā)動機的工作溫度為800K)，利用煙氣從900K降低到800K所放出的熱量Q1驅(qū)動一級熱聲發(fā)動機工作。然后利用另一個熱聲發(fā)動機作為二級熱聲發(fā)動機，利用該二級熱聲發(fā)動機的加熱器3再吸收煙氣熱量，將其溫度降低到700K左右(使二級熱聲發(fā)動機的工作溫度為700K)，利用煙氣從800K降低到700K所放出的熱量Q2驅(qū)動二級熱聲發(fā)動機工作。如果環(huán)境溫度為300K，則兩個熱聲發(fā)動機能轉(zhuǎn)換出的最大聲功W為：

W＝Q1×(1-300/800)+Q2×(1-300/700)

如果只有一個熱聲發(fā)動機，雖然加熱器3也可以吸收煙氣從900K降低到700K所釋放出的熱量，但由于加熱器3只能工作在單一溫度，則該單獨的熱聲發(fā)動機的工作溫度只能為700K，所以熱聲發(fā)動機能轉(zhuǎn)換出的最大聲功W’為：

W’＝(Q1+Q2)×(1-300/700)

顯然，W’小于W，因此，僅使用單獨的熱聲發(fā)動機時，不能進(jìn)行熱量的梯級利用，此時所能轉(zhuǎn)換出的聲功更少。

實施例二

本實施例二的多級熱聲發(fā)動機組與實施例一所述的多級熱聲發(fā)動機組基本相同，相同之處不再贅述，不同之處在于：本實施例二的多級熱聲發(fā)電機組中，共有三組熱聲發(fā)動機順次安裝于壓縮機和發(fā)電機之間，且每兩組熱聲發(fā)動機之間均通過諧振子組件耦合，諧振子組件在安裝時，諧振彈簧9與質(zhì)量活塞8連接，質(zhì)量活塞8可朝向熱聲發(fā)動機的聲波入口方向往復(fù)運動。

在實施例一的基礎(chǔ)上，實施例二的多級熱聲發(fā)電機組將熱聲發(fā)動機的數(shù)量增加到了三個，如圖4所示，因此，相同的條件下該多級熱聲發(fā)電機組的熱電效率將提高到32％。同理可證，如果將熱聲發(fā)動機的數(shù)量增加到四個，則相同的條件下的多級熱聲發(fā)電機組的熱電效率能提高到32.7％。理論上，如果諧振子的效率為1，則隨著發(fā)動機數(shù)量的增加，系統(tǒng)的效率將趨近于熱聲發(fā)動機效率與發(fā)電機效率的乘積，壓縮機的影響將逐漸消失。

此外，根據(jù)實施例一中的計算數(shù)據(jù)可以得出：如果多級熱聲發(fā)電機組中設(shè)置更多的熱聲發(fā)動機，就可以從煙氣中吸收更多的熱量進(jìn)行驅(qū)動，將每個熱聲發(fā)動機的工作溫度均設(shè)置在不同的溫度，從而實現(xiàn)煙氣熱量的梯級利用。

實施例三

如圖5所示，本實施例三的多級熱聲發(fā)動機組與實施例一所述的多級熱聲發(fā)動機組基本相同，相同之處不再贅述，不同之處在于：本實施例三的諧振子組件在安裝時，在相鄰兩組熱聲發(fā)動機的機械能出口和聲波入口之間設(shè)有旁通凹槽，質(zhì)量活塞8通過諧振彈簧9安裝于旁通凹槽內(nèi)。

實施例四

如圖6所示，本實施例四的多級熱聲發(fā)動機組與實施例一所述的多級熱聲發(fā)動機組基本相同，相同之處不再贅述，不同之處在于：本實施例四的諧振子組件包括諧振管10，諧振管10的內(nèi)徑小于熱聲發(fā)動機的內(nèi)徑，在諧振管10內(nèi)具有氣體，氣體具有預(yù)設(shè)的慣性和彈性，利用諧振管10內(nèi)氣體的慣性和氣體彈性產(chǎn)生諧振作用，以使連接于諧振管10兩端的兩組熱聲發(fā)動機內(nèi)均能同時形成行波聲場，從而使得相鄰兩組熱聲發(fā)動機組之間獲得良好的匹配，進(jìn)而提高熱聲發(fā)電機組的熱電效率。

實施例五

本實施例五提供了一種多級回?zé)崾街评湎到y(tǒng)，該系統(tǒng)包括如上所述的四個實施例中的至少一種多級熱聲發(fā)電機組，也可以采用上述的四種實施例中的幾種多級熱聲發(fā)電機組混合安裝。該多級回?zé)崾街评湎到y(tǒng)具有更高的熱電轉(zhuǎn)換效率，能夠最大限度提高系統(tǒng)工作效率。

綜上所述，本發(fā)明的各個實施例中，多級熱聲發(fā)電機組包括多組熱聲發(fā)動機，多組熱聲發(fā)動機順次串聯(lián)于壓縮機和發(fā)電機之間，且各組熱聲發(fā)動機之間均通過諧振子組件耦合，諧振子組件用于使各組熱聲發(fā)動機內(nèi)均能同時形成行波聲場，利用諧振子組件使得相鄰兩組熱聲發(fā)動機組之間獲得良好的匹配，在各組熱聲發(fā)動機組內(nèi)能同時形成行波聲場，從而提高熱聲發(fā)電機組的熱電效率，同時，將各組熱聲發(fā)動機的工作溫度設(shè)定為不同溫度，從而還可以使得該多級熱聲發(fā)電機組實現(xiàn)對不同品位熱能的梯級利用，以使得具有該機組的多級回?zé)崾街评湎到y(tǒng)具有更高的熱電轉(zhuǎn)換效率，最大限度提高系統(tǒng)工作效率。

本發(fā)明的實施例是為了示例和描述起見而給出的，而并不是無遺漏的或者將本發(fā)明限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，并且使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明從而設(shè)計適于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。