双作用热声发电技术的高效工作机理研究

In this project, the high efficiency working mechanism of a double-acting thermoacoustic electricity generation technology is investigated, which is based on the thermoacoustics and electromechanics theories. The technology is capable of converting heat to acoustic work and acoustic work to electrical power. In this system, thermoacoustic heat engines and linear alternators are used to convert heat to acoustic power and acousitc power to electrical power, respectively. In order to improve the system power density, the double-acting configuration thermaocoustic heat engine is used to eliminate the resonance tube, which is always used in the conventional thermoacoustic heat engines. The double-acting thermoacoustic electricity generation technology has advantages on potential efficiency, reliability and power flexibility, which is believed as a novel heat power generation device with high use-value. The main content in this study will consist of four parts: 1) the high efficiency power conversion machanism of the double-acting thermoacoustic heat engine; 2) the high efficiency coupling machanism between the enging and the alternator; 3) the influence machanism on the the working consistency of the system; 4) the high acoustic-to-electrical efficiency converting machanism of a high power linear alternator. The main purpose of this project is to find a heat power generation technology with high use-value. Undoubtedly,the success of this project will greatly improve the environmental pollution problem and energy shortage problem in China.

本项目基于热声学、电机学等基本原理，研究一种双作用热声电技术的高效工作机理。该技术将热能转换成声能、再将声能转换成电能，从而完成热电转换。研究采用热声发动机实现热-声转换、采用直线发电机实现声-电转换。为了提高结构紧凑性，项目采用双作用发动机流程，取消了传统热声发动机用的谐振管，大幅提高了系统功率密度。该技术具有潜在效率高、可靠性好、功率灵活等优点，是一种极具实用价值的新型热电技术。项目研究的主要内容包括：(1)双作用热声发动机的高效工作机理研究；(2)双作用热声发动机与直线发电机整机系统的热-声-电间高效耦合的工作机理研究；(3)整机一致性工作的影响规律研究；(4)较大功率往复运动直线发电机高效声电转换机理。本项目研究目的是为了探索出一种具有实用价值的热发电技术。项目若能成功完成将对改善我国的环境污染问题及能源短缺问题将起到巨大的推动作用。

外燃式的热发电技术可以利用于太阳能、余热回收等领域，近年来倍受关注。热声发电技术是一种新型的外燃式热发电技术，具有可靠性好、潜在效率高、功率灵活等特点。由于传统的热声发电技术在系统尺寸、功率密度上难以得到进一步提升，本项目基于热声学、电机学等基本原理提出了一种双作用热声发电技术，并对其高效工作机理进行了深入研究。双作用热声发电系统通过多个发动机核心单元与谐振机构的合理布置，既保留了系统高效工作所需的声场条件，又消除了传统热声发电系统中的驻波谐振管、反馈管等大尺寸部件，提高了系统的紧凑性。在对工作机理充分理解的基础上，项目提出了两种不同谐振形式的流程：一是以双作用直线发电机为谐振机构的机械双作用热声发电流程，直线发电机一方面实现发动机单元出入口间的相位调节，同时将部分声功传递给下一级发动机单元；另一方面将剩余声功转化为电功；二是以行波谐振管为谐振机构的气体双作用热声发电流程，直线发电机旁接于发动机单元出口将部分声功转化为电功，谐振管实现发动机单元出入口间的相位调节并将剩余声功传送至下一步发动机单元。项目按上述两种流程分别进行了理论设计与实验研究。项目设计的机械双作用热声发电样机以5.0MPa氦气为工质，在650℃的加热温度下获得了1.57kW的电功输出，热电效率16.8%。实验发现了热应力会造成气缸变形、大幅增加活塞阻尼系数、严重影响系统性能的问题。项目设计的气体双作用热声发电样机以6.0MPa氦气为工质，在650℃的加热温度下获得了最大输出电功9. 0kW及最高热电效率22.9%。如何进一步抑制谐振管、热缓冲管等损失还有待进一步深入研究。