熱聲透平發(fā)電機及發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種熱聲透平發(fā)電機及發(fā)電系統(tǒng)，涉及熱聲發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明由熱聲發(fā)動機將熱能轉(zhuǎn)換為聲波形式的機械能，當流體從熱聲發(fā)動機向諧振管運動時，流體通過第一單向選通機構(gòu)從主通路通過，當流體從諧振管向熱聲發(fā)動機運動時，流體通過第二單向選通機構(gòu)，流體通過第二單向選通機構(gòu)從分支通路通過，使得第一透平發(fā)電機構(gòu)中可采用單向透平，從而降低了透平葉片的設計復雜度，降低了流動損失，提高了效率。
【專利說明】
熱聲透平發(fā)電機及發(fā)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及熱聲發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種熱聲透平發(fā)電機及發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]當一個管道中存在適當?shù)臏囟忍荻群吐晥鰰r，聲波振蕩就會自發(fā)產(chǎn)生，將熱能轉(zhuǎn)化比聲波形式的機械能，這就是熱聲效應。熱聲效應可以理解為流體在往復運動的過程中，與固體壁面之間發(fā)生的熱功轉(zhuǎn)換過程。熱聲發(fā)動機就是一種利用熱聲效應將熱能轉(zhuǎn)換為聲能的能量轉(zhuǎn)換裝置，它具有以下優(yōu)點:系統(tǒng)中沒有運動部件，從根本上消除了常規(guī)機械所普遍存在的磨損與振動，運行穩(wěn)定可靠，使用壽命長;使用熱作為能源，可以利用太陽能、廢熱等作為驅(qū)動源，這對于解決偏遠地區(qū)動力缺乏的場合非常有意義；以惰性氣體作為工質(zhì)，有利于環(huán)保，所以具有非常廣闊的發(fā)展前景。目前，行波熱聲發(fā)動機的熱聲轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過了 30 %，已經(jīng)接近內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)換效率。
[0003]熱聲發(fā)動機只能將熱能轉(zhuǎn)化為聲波形式的機械能，而機械能的傳輸和和使用受到很大的限制，因此熱聲發(fā)動機通常和發(fā)電機結(jié)合在一起向外輸出電能。目前跟熱聲發(fā)動機耦合的發(fā)電機一般是直線發(fā)電機。熱聲發(fā)動機中產(chǎn)生的聲波推動直線發(fā)電機活塞做往復運動，發(fā)電機的動子因為是跟活塞固定連接在一起，所以也同時進行往復運動，并切割磁力線，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。直線發(fā)電機由于活塞采用間隙密封，無任何摩擦，壽命長，同時效率也較高。但是隨著熱聲發(fā)電研究的進展，直線電機技術(shù)方面存在的不足也日益凸顯:(I)直線電機中，受支撐機制決定，活塞往復運動的位移受限，導致線圈切割磁力線的速度只有數(shù)米/秒，而電磁轉(zhuǎn)換的功率直接與該速度成正比，因此直線電機的功率不容易做大(2)目前直線電機技術(shù)只在相對特殊的一些場合應用，未形成大規(guī)模批量生產(chǎn)，間隙密封、板簧支撐、大量采用永磁體等因素導致其成本非常高，與常規(guī)旋轉(zhuǎn)式電機比有量級上的差別，對其實際應用產(chǎn)生了嚴重阻礙；(3)隨著功率需求的增大，由于采用直線電機的熱聲發(fā)電系統(tǒng)有諧振要求，活塞面積和動子質(zhì)量越來越大，在支撐連接等結(jié)構(gòu)強度、磁路設計和系統(tǒng)振動抑制等方面帶來的技術(shù)難度也越來越大。
[0004]為適應熱聲發(fā)電的大功率與低成本實用化發(fā)展需求，一種可能的途徑就是采用旋轉(zhuǎn)式電機替代直線電機，將動力活塞的往復運動通過曲柄連桿轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，進而帶動常規(guī)旋轉(zhuǎn)式電機發(fā)電，但因為曲柄連桿結(jié)構(gòu)需要使用潤滑油，潤滑油會嚴重惡化發(fā)動機性能，因此難以采用。另一種途徑是將氣體的往復運動直接通過雙向透平等旋轉(zhuǎn)機械變成軸功進而帶動常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機發(fā)電。當氣流從前后兩個方向分別穿過雙向透平時，雙向透平均能將流體的動能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能，但這導致了葉片的設計更加復雜，流動損失增加，因此效率顯著降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述問題，提出了本發(fā)明以便提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種熱聲透平發(fā)電機及發(fā)電系統(tǒng)。
[0006]依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種熱聲透平發(fā)電機，所述熱聲透平發(fā)電機包括:熱聲發(fā)動機和諧振管，所述熱聲發(fā)動機和諧振管之間設有用于通過流體的主通路和至少一條分支通路，所述主通路中設有第一透平發(fā)電機構(gòu)和從所述熱聲發(fā)動機向所述諧振管方向設置的第一單向選通機構(gòu)，所述分支通路中設有從所述諧振管向所述熱聲發(fā)動機方向設置的第二單向選通機構(gòu)。
[0007]可選地，所述分支通路中設有第二透平發(fā)電機構(gòu)。
[0008]可選地，所述分支通路包括第一連通管和第二連通管，所述第一連通管的入口與所述諧振管相連，所述第一連通管的出口與所述主通路的入口相連，所述第二連通管的入口與所述主通路的出口相連，所述第二連通管的出口與所述熱聲發(fā)動機相連。
[0009 ]可選地，所述透平發(fā)電機構(gòu)包括:相互連接的單向透平和旋轉(zhuǎn)發(fā)電機。
[0010]可選地，所述熱聲發(fā)動機為駐波熱聲發(fā)動機、行波熱聲發(fā)動機或斯特林熱聲發(fā)動機。
[0011]可選地，所述單向選通機構(gòu)為單向閥。
[0012]依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種發(fā)電系統(tǒng)，所述發(fā)電系統(tǒng)包括至少兩個熱聲透平發(fā)電機，各熱聲透平發(fā)電機首尾相連。
[0013]可選地，各熱聲透平發(fā)電機的熱聲發(fā)動機和相鄰熱聲透平發(fā)電機的諧振管相連，以實現(xiàn)各熱聲透平發(fā)電機首尾相連。
[0014]本發(fā)明由熱聲發(fā)動機將熱能轉(zhuǎn)換為聲波形式的機械能，當流體從熱聲發(fā)動機向諧振管運動時，流體通過第一單向選通機構(gòu)從主通路通過，當流體從諧振管向熱聲發(fā)動機運動時，流體通過第二單向選通機構(gòu)，流體通過第二單向選通機構(gòu)從分支通路通過，使得第一透平發(fā)電機構(gòu)中可采用單向透平，從而降低了透平葉片的設計復雜度，降低了流動損失，提高了效率。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明一種實施方式的熱聲透平發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明一種實施方式的熱聲透平發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明一種實施方式的發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0019]圖1是本發(fā)明一種實施方式的熱聲透平發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；參照圖1，所述熱聲透平發(fā)電機包括:熱聲發(fā)動機I和諧振管5，所述熱聲發(fā)動機I和諧振管5之間設有用于通過流體的主通路6和至少一條分支通路7，所述主通路6中設有第一透平發(fā)電機構(gòu)(即由圖中的單向透平3-1和旋轉(zhuǎn)發(fā)動機4-1組成)和從所述熱聲發(fā)動機向所述諧振管方向設置的第一單向選通機構(gòu)(即圖中的單向閥2-1，當然，還可使用其他單向選通機構(gòu)，本實施方式對此不加以限制)，所述分支通路7中設有從所述諧振管向所述熱聲發(fā)動機方向設置的第二單向選通機構(gòu)(即圖中的單向閥2-2，當然，還可使用其他單向選通機構(gòu)，本實施方式對此不加以限制)。
[0020]本實施方式由熱聲發(fā)動機I將熱能轉(zhuǎn)換為聲波形式的機械能，當流體從熱聲發(fā)動機I向諧振管5運動時，流體通過第一單向選通機構(gòu)從主通路通過，當流體從諧振管5向熱聲發(fā)動機I運動時，流體通過第二單向選通機構(gòu)，流體通過第二單向選通機構(gòu)從分支通路通過，使得第一透平發(fā)電機構(gòu)中可采用單向透平，從而降低了透平葉片的設計復雜度，降低了流動損失，提高了效率。
[0021]可理解的是，為了使流體從諧振管5向熱聲發(fā)動機I運行時，也能進行發(fā)電，從而進一步提高效率，本實施方式中，所述分支通路7中設有第二透平發(fā)電機構(gòu)(即由圖中的單向透平3-2和旋轉(zhuǎn)發(fā)動機4-2組成)，同樣，所述第二透平發(fā)電機構(gòu)也可采用單向透平。
[0022]需要說明的是，本實施方式中，單向閥的作用是只允許流體朝一個方向流動。熱聲發(fā)動機將熱能轉(zhuǎn)換為聲波形式的機械能后，所述熱聲透平發(fā)電機內(nèi)的流體會產(chǎn)生往復運動。當所述熱聲透平發(fā)電機內(nèi)的工作流體從左向右運動時，流體從上邊的單向閥2-1經(jīng)過推動上邊的透平3-1旋轉(zhuǎn)發(fā)電，而下邊的分支通路7由于單向閥2-2方向相反，因此流體不能流通;當所述熱聲透平發(fā)電機內(nèi)的工作流體從右向左運動時，流體從下邊的單向閥2-2經(jīng)過推動下邊的透平3-2旋轉(zhuǎn)發(fā)電，而上邊的主通路6由于單向閥2-1方向相反，因此流體不能流通。這樣工作的流體在上下半個工作周期內(nèi)分別流經(jīng)不同的通路，推動不同的透平進行發(fā)電；而對每個透平來說，流體始終朝一個方向運動，因此透平的結(jié)構(gòu)簡單，效率更高。
[0023]本實施方式中，所述熱聲發(fā)動機I采用駐波熱聲發(fā)動機，當然，所述熱聲發(fā)動機I還可采用行波熱聲發(fā)動機或斯特林熱聲發(fā)動機，當然，還可采用其他熱聲發(fā)動機，本實施方式對此不加以限制。
[0024]圖2是本發(fā)明一種實施方式的熱聲透平發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；參照圖2，本實施方式與圖1所示的實施方式不同之處在于，無需設置第二透平發(fā)電機構(gòu)，并且熱聲發(fā)動機I采用行波熱聲發(fā)動機，通過連通管的設置，使得流體從諧振管5向熱聲發(fā)動機I運動時，也能利用第一透平發(fā)電機構(gòu)發(fā)電，從而對于透平發(fā)電機構(gòu)而言，始終保證流體朝一個方向運動，從而使得透平的結(jié)構(gòu)簡單，效率更好。
[0025]具體地，本實施方式中，所述分支通路包括第一連通管7-1和第二連通管7-2，所述第一連通管7-1的入口與所述諧振管5相連，所述第一連通管7-2的出口與所述主通路6的入口相連，所述第二連通管7-2的入口與所述主通路6的出口相連，所述第二連通管7-2的出口與所述熱聲發(fā)動機I相連。
[0026]本實施方式中，當所述熱聲透平發(fā)電機內(nèi)的工作流體從左向右運動時，流體從中間的兩個單向閥2-1經(jīng)過推動透平3-1旋轉(zhuǎn)發(fā)電，而上、下側(cè)的分支通路由于單向閥2-2方向相反，因此流體不能流通;當所述熱聲透平發(fā)電機內(nèi)的工作流體從右向左運動時，流體先流經(jīng)上側(cè)的單向閥2-2，推動透平3-1旋轉(zhuǎn)發(fā)電，然后再從下側(cè)的單向閥2-2向左側(cè)繼續(xù)流動，而中間的兩個單向閥2-1因為方向相反，因此流體不能流通。這樣工作的流體在上下半個工作周期內(nèi)分別流經(jīng)不同的通路，但推動同一個透平進行發(fā)電；而對透平來說，流體始終朝一個方向運動，因此透平的結(jié)構(gòu)簡單，效率更高。
[0027]圖3是本發(fā)明一種實施方式的發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；參照圖3，所述發(fā)電系統(tǒng)包括三個熱聲透平發(fā)電機，各熱聲透平發(fā)電機首尾相連，當然，本實施方式中以三個熱聲透平發(fā)電機為例來說明本發(fā)明，但不限定本發(fā)明的保護范圍，還可采用兩個、四個或其他數(shù)量的熱聲透平發(fā)電機。
[0028]在本實施方式中，各熱聲透平發(fā)電機的熱聲發(fā)動機I和相鄰熱聲透平發(fā)電機的諧振管5相連，以實現(xiàn)各熱聲透平發(fā)電機首尾相連。
[0029]可理解的是，本實施方式中的發(fā)電系統(tǒng)包括的熱聲透平發(fā)電機為圖2所示的實施方式的熱聲透平發(fā)電機，當然，還可為圖1所示的實施方式的熱聲透平發(fā)電機，本實施方式對此不加以限制。
[0030]需要說明的是，理論上熱聲發(fā)動機I內(nèi)的工作介質(zhì)可以為氣體，也可以為液體，某些特殊的液體作為工質(zhì)時甚至具有更好的熱力學性能，但實際的應用難度大，因此目前的熱聲發(fā)動機內(nèi)基本都是采用氣體作為工質(zhì)。在本系統(tǒng)中，熱聲發(fā)動機I內(nèi)的工質(zhì)是氣體(比方說氦氣)，諧振管5為U型結(jié)構(gòu)，里面容納了一定體積的液體(圖中液位線A的位置以下為液體，可以是水，離子液體，液態(tài)金屬等;液體不進入熱聲發(fā)動機I，因此不參與熱功轉(zhuǎn)換)，液體具有比氣體大得多的密度，對應的慣性較大，因此可以起到縮短諧振管長度，降低系統(tǒng)頻率的作用。熱聲發(fā)動機I產(chǎn)生的聲波推動液體往復運動。本系統(tǒng)中熱聲透平發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與實施例2相同，但是他們是置于液體流道內(nèi)。液體因為具有更大的密度，對于透平來說，更有利于提尚其效率。
[0031]以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權(quán)利要求限定。
【主權(quán)項】
1.一種熱聲透平發(fā)電機，其特征在于，所述熱聲透平發(fā)電機包括:熱聲發(fā)動機和諧振管，所述熱聲發(fā)動機和諧振管之間設有用于通過流體的主通路和至少一條分支通路，所述主通路中設有第一透平發(fā)電機構(gòu)和從所述熱聲發(fā)動機向所述諧振管方向設置的第一單向選通機構(gòu)，所述分支通路中設有從所述諧振管向所述熱聲發(fā)動機方向設置的第二單向選通機構(gòu)。2.如權(quán)利要求1所述的熱聲透平發(fā)電機，其特征在于，所述分支通路中設有第二透平發(fā)電機構(gòu)。3.如權(quán)利要求1所述的熱聲透平發(fā)電機，其特征在于，所述分支通路包括第一連通管和第二連通管，所述第一連通管的入口與所述諧振管相連，所述第一連通管的出口與所述主通路的入口相連，所述第二連通管的入口與所述主通路的出口相連，所述第二連通管的出口與所述熱聲發(fā)動機相連。4.如權(quán)利要求1?3中任一項所述的熱聲透平發(fā)電機，其特征在于，所述透平發(fā)電機構(gòu)包括:相互連接的單向透平和旋轉(zhuǎn)發(fā)電機。5.如權(quán)利要求4所述的熱聲透平發(fā)電機，其特征在于，所述熱聲發(fā)動機為駐波熱聲發(fā)動機、行波熱聲發(fā)動機或斯特林熱聲發(fā)動機。6.如權(quán)利要求1?3中任一項所述的熱聲透平發(fā)電機，其特征在于，所述單向選通機構(gòu)為單向閥。7.—種發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電系統(tǒng)包括至少兩個權(quán)利要求1?6中任一項的熱聲透平發(fā)電機，各熱聲透平發(fā)電機首尾相連。8.如權(quán)利要求7所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，各熱聲透平發(fā)電機的熱聲發(fā)動機和相鄰熱聲透平發(fā)電機的諧振管相連，以實現(xiàn)各熱聲透平發(fā)電機首尾相連。
【文檔編號】F03G7/00GK105840443SQ201610294369
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月5日
【發(fā)明人】胡劍英, 陳燕燕, 羅二倉
【申請人】中國科學院理化技術(shù)研究所