專(zhuān)利名稱(chēng)：以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲發(fā)電方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲發(fā)電方法及 其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
熱聲效應(yīng)是熱與聲之間的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程，根據(jù)能量的轉(zhuǎn)換方向可以分成熱 致聲和聲致熱(冷)兩種。由于聲波本身就是一種機(jī)械波，可以在平衡位置附 近產(chǎn)生周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，熱聲發(fā)電就是利用熱致聲效應(yīng)產(chǎn)生氣體壓力振蕩， 并利用氣液耦合轉(zhuǎn)換為電解質(zhì)液柱的周期運(yùn)動(dòng)，這種電解質(zhì)溶液的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通 過(guò)一定的磁場(chǎng)時(shí)，由于切割磁力線(xiàn)而在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電勢(shì)差，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效應(yīng)。 由于熱聲發(fā)電效應(yīng)首先依賴(lài)于系統(tǒng)中壓力振蕩的存在，首要工作是產(chǎn)生壓力波。 目前的發(fā)電系統(tǒng)多是利用熱能產(chǎn)生高壓水蒸氣，由高壓水蒸氣驅(qū)動(dòng)透平機(jī)械，
或者利用水勢(shì)能等其他能量方式驅(qū)動(dòng)透平機(jī)械，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；也有以 氫為能源的燃料電池發(fā)電等技術(shù)。這些技術(shù)的共同特點(diǎn)是需要消耗一定量的其 他形式常規(guī)能源，易受資源儲(chǔ)量短缺等不利因素限制。近年來(lái)，風(fēng)能和太陽(yáng)能 等新能源由于其清潔、可再生等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多的重視，太陽(yáng)能發(fā)電也成了 研究熱點(diǎn)，人們對(duì)其實(shí)際應(yīng)用抱有很高的期望。常規(guī)太陽(yáng)能發(fā)電是利用光伏效 應(yīng)直接產(chǎn)生電能，這種方式雖然在形式上非常直接，但是也受到光伏電池板的 光電轉(zhuǎn)換效率、制造成本等因素的限制，目前尚未得到大面積的應(yīng)用。利用熱 聲效應(yīng)把從太陽(yáng)能中獲得的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再利用電磁轉(zhuǎn)換原理把機(jī)械能 轉(zhuǎn)化為電能，是一種新的嘗試，將具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。至于熱聲發(fā)電系統(tǒng)， 目前已經(jīng)有多種不同的方案，包括液態(tài)金屬磁流體熱聲發(fā)電系統(tǒng)、行波型熱聲 直線(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)、駐波型熱聲電解質(zhì)-磁場(chǎng)耦合發(fā)電系統(tǒng)等。本發(fā)明的電解質(zhì)-磁場(chǎng) 耦合發(fā)電的機(jī)理跟第三種方案相同不同之處在于本發(fā)明采用的是Rijke型熱聲 諧振管，而且在熱聲諧振部分采用了振幅放大裝置，能使電解質(zhì)流體實(shí)現(xiàn)更大 的振幅進(jìn)而更高的流速。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲發(fā) 電方法及其系統(tǒng)。
以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲發(fā)電方法是采用以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱致聲效應(yīng) 產(chǎn)生氣體壓力振蕩，通過(guò)氣液耦合轉(zhuǎn)換為電解質(zhì)液體的液柱周期運(yùn)動(dòng)，再利用
液柱振幅放大管把小振幅的液柱振蕩放大到一個(gè)大振幅的液位振蕩，提高電解 質(zhì)液柱的速度，最后利用周期振蕩運(yùn)動(dòng)的電解質(zhì)液柱切割垂直于液柱運(yùn)動(dòng)方向 的磁力線(xiàn)，在電極上產(chǎn)生電勢(shì)差而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。
以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括太陽(yáng)能收集器、熱聲 諧振管、熱端換熱器、熱聲板疊、冷端換熱器、電解質(zhì)液體、液柱振幅放大管、 發(fā)電裝置，發(fā)電裝置包括電磁體、電極，熱聲諧振管為環(huán)狀管道，熱聲諧振管 環(huán)狀管道上部設(shè)有熱聲核，熱聲核依次設(shè)有熱端換熱器、熱聲板疊、冷端換熱 器，熱聲諧振管下部裝有電解質(zhì)液體，熱聲諧振管環(huán)狀管道一側(cè)底部與液柱振 幅放大管相連接，液柱振幅放大管由放大細(xì)盤(pán)管和直管段組成，在液柱振幅放 大管的直管段上裝有發(fā)電裝置，發(fā)電裝置包括磁體和電極，熱聲核的熱端換熱 器相對(duì)應(yīng)處設(shè)有太陽(yáng)能收集器。
所述的電解質(zhì)液體為碳酸氫鈉、碳酸氫鉀或磷酸二氫鈉。
目前的發(fā)電系統(tǒng)多是利用熱能產(chǎn)生高壓水蒸氣，由高壓水蒸氣驅(qū)動(dòng)透平機(jī) 械，或者利用水勢(shì)能等其他能量方式驅(qū)動(dòng)透平機(jī)械，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；也 有以氫為能源的燃料電池發(fā)電等技術(shù)。這些技術(shù)的共同特點(diǎn)是需要消耗一定量 的其他形式常規(guī)能源，易受資源儲(chǔ)量短缺等不利因素限制。本發(fā)明利用太陽(yáng)能 這一可再生能源(其他余熱和廢熱等亦可)，驅(qū)動(dòng)一熱致聲轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在缺乏電 力的地方(如野外)，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電功能，具有一定的實(shí)用價(jià)值。同其他利用電 解質(zhì)流體的熱聲發(fā)電裝置相比，由于采用Rijke型熱聲諧振管，而且在熱聲諧振 部分采用了振幅放大裝置，能使電解質(zhì)流體實(shí)現(xiàn)更大的振幅進(jìn)而更高的流速， 進(jìn)而能夠提高電力輸出功率。


圖1是以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2是周期振蕩運(yùn)動(dòng)的電解質(zhì)流體在磁場(chǎng)作用下進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
圖3是熱聲諧振管中兩個(gè)典型振蕩狀態(tài)下液柱位置示意圖中太陽(yáng)能收集器l、熱聲諧振管2、熱端換熱器3、熱聲板疊4、冷端
換熱器5、電解質(zhì)液體6、液柱振幅放大管7、發(fā)電裝置8、磁體9、電極IO。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用一種有別于傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的新型電解質(zhì)流體振蕩產(chǎn)生方式，即 利用熱致聲效應(yīng)產(chǎn)生的氣體壓力振蕩，通過(guò)氣液耦合作用產(chǎn)生液柱的周期性振 蕩運(yùn)動(dòng)。其中熱致聲系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源為太陽(yáng)能，利用太陽(yáng)能收集裝置提升能源品
位，提高熱源溫度至熱聲系統(tǒng)的起振溫度以上。在諧振管上連接有一根振幅放 大裝置，以此來(lái)放大液柱振蕩的幅度和液柱運(yùn)動(dòng)速度。然后利用液柱振幅放大 管中電解質(zhì)液體柱的來(lái)回運(yùn)動(dòng)切割垂直于運(yùn)動(dòng)方向的磁力線(xiàn)而在電解質(zhì)中的電 極上產(chǎn)生電勢(shì)差，連接外載負(fù)荷即能輸出電能。
如附圖1、 2所示，以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能收集器1、 熱聲諧振管2、熱端換熱器3、熱聲板疊4、冷端換熱器5、電解質(zhì)液體6、液柱 振幅放大管7、發(fā)電裝置8，發(fā)電裝置8包括磁體9、電極IO，熱聲諧振管2為 環(huán)狀管道，熱聲諧振管環(huán)狀管道上部設(shè)有熱聲核，熱聲核依次設(shè)有熱端換熱器3、 熱聲板疊4、冷端換熱器5，熱聲諧振管下部裝有電解質(zhì)液體6，熱聲諧振管環(huán) 狀管道一側(cè)底部與液柱振幅放大管7相連接，液柱振幅放大管7由放大細(xì)盤(pán)管 和直管段組成，在液柱振幅放大管7的直管段上裝有發(fā)電裝置8，發(fā)電裝置8包 括磁體9和電極10，熱聲核的熱端換熱器3相對(duì)應(yīng)處設(shè)有太陽(yáng)能收集器1。
電解質(zhì)液體6為碳酸氫鈉、碳酸氫鉀或磷酸二氫鈉。
太陽(yáng)能收集器l是一個(gè)直徑比較大的聚光面，用于把太陽(yáng)光聚焦到某一點(diǎn)， 熱聲核的熱端換熱器3置于該點(diǎn)，聚焦后的太陽(yáng)能作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源。太陽(yáng)能收 集器上要設(shè)置太陽(yáng)光線(xiàn)跟蹤裝置，使得系統(tǒng)能夠隨著太陽(yáng)光的入射方向而變化。 由此，聚焦點(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化，所以整個(gè)諧振管部分要與太陽(yáng)能收集器發(fā)生關(guān)聯(lián) 動(dòng)作，以保證聚焦后的光線(xiàn)能入射到熱端換熱器。
熱端換熱器3、熱聲板疊4以及冷端換熱器5構(gòu)成了熱能向聲能轉(zhuǎn)換的核心， 激起熱聲振蕩的必要條件是要在熱聲板疊4的兩端形成一個(gè)足夠大的溫度梯度
(臨界閾值通常被稱(chēng)為臨界溫度梯度)，這個(gè)溫度梯度通過(guò)熱端換熱器3的加熱 和冷端換熱器4的冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了能夠很好地吸收聚焦光線(xiàn)中的能量，熱端換 熱器3要具有較高的"有效吸收系數(shù)"，此段的管道采用透明材質(zhì)，使光線(xiàn)直接射 入管道內(nèi)的換熱器結(jié)構(gòu)材料(具有高吸收系數(shù))上。冷端換熱器5的具體結(jié)構(gòu)要 視情況而定若熱端的加熱溫度不是太高，可以通過(guò)自然風(fēng)冷或強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)冷 (必要時(shí)添加一些擴(kuò)展翅片)的方式；若熱端負(fù)荷比較大，加熱溫度較高，則 要采用水冷的方式。熱聲板疊4材料可以用玻璃細(xì)管、銅絲網(wǎng)、不銹鋼絲網(wǎng)、陶 瓷多孔材料等。振蕩的發(fā)生還需要?dú)怏w工質(zhì)，可以直接采用空氣，但是如果考 慮到熱端換熱器和板疊材料免受氧化以及振蕩頻率等因素，亦可采用氮?dú)?、?氧化碳等氣體。為了形成氣柱，并且把氣體振蕩轉(zhuǎn)化為液柱的振蕩，諧振管中 灌有一定量的液體?？紤]到后續(xù)發(fā)電部分的需要，該種液體為電解質(zhì)溶液6。
隨著氣柱振蕩的發(fā)生，由于氣一液界面并不是剛性的封閉端，液柱就會(huì)隨
之而發(fā)生振蕩。考慮到熱聲振蕩的幅度大小有限，直接利用該液柱的振蕩無(wú)法
實(shí)現(xiàn)很大的振蕩幅度和液柱流速。液柱振幅放大管7正是為克服這一問(wèn)題而設(shè) 置，盤(pán)管的直徑約為諧振管直徑的l/5以下，在諧振管中幅度較小的振蕩經(jīng)過(guò)液 柱振幅放大管的"放大"而大大提高液柱的振蕩幅度，而且由于諧振管中和液柱振 幅放大管中的頻率是相同的，因此液柱振幅放大管中液柱的流動(dòng)速度也相應(yīng)增 大。在系統(tǒng)中還沒(méi)有發(fā)生振蕩時(shí)，系統(tǒng)中的各處液位如圖一所示的AO、 B0和C0， 其中CO位置比AO和BO要高的原因在于液柱振幅放大管的振幅比較大，因此如果 其中的初始液位跟前兩者一樣的話(huà)，在振蕩發(fā)生后可能會(huì)出現(xiàn)最低液位低至液 柱振幅放大管的底部而使外部氣體倒吸到諧振管中。圖三所示為兩個(gè)典型振蕩 狀態(tài)下的液位情況，其中下標(biāo)1表示諧振管中左邊液位處于最低點(diǎn)A1，而右邊液 位處于最高點(diǎn)B1，進(jìn)而液柱振幅放大管中的液位也是處于最高點(diǎn)C1;反之，在 半個(gè)周期后，左邊液位處于最高點(diǎn)A2，而右邊液位處于最低點(diǎn)B2，進(jìn)而液柱振 幅放大管中的液位則處于最低點(diǎn)C2。其中，C1與C2之間距離遠(yuǎn)大于A1與A2、 B1與B2之間的距離。
最后，利用液柱振幅放大管中周期振蕩運(yùn)動(dòng)的電解質(zhì)液柱切割由磁體9所產(chǎn) 生的、垂直于液柱運(yùn)動(dòng)方向的磁力線(xiàn)，在處于電解質(zhì)中的兩塊電極10上產(chǎn)生交 流電勢(shì)差，當(dāng)它們跟外部負(fù)載電路相連接時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)電功率的輸出。
最后把系統(tǒng)中的各個(gè)部件進(jìn)行安裝與固定，在設(shè)計(jì)安裝方案時(shí)，需要考慮 到諧振管系統(tǒng)同太陽(yáng)能收集器的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，以便隨時(shí)間因太陽(yáng)照射方向的變化 而相應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)的位置。
權(quán)利要求
1.一以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲發(fā)電方法，其特征在于采用以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱致聲效應(yīng)產(chǎn)生氣體壓力振蕩，通過(guò)氣液耦合轉(zhuǎn)換為電解質(zhì)液體的液柱周期運(yùn)動(dòng)，再利用液柱振幅放大管把小振幅的液柱振蕩放大到一個(gè)大振幅的液位振蕩，提高電解質(zhì)液柱的速度，最后利用周期振蕩運(yùn)動(dòng)的電解質(zhì)液柱切割垂直于液柱運(yùn)動(dòng)方向的磁力線(xiàn)，在電極上產(chǎn)生電勢(shì)差而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。
2. —種以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括太陽(yáng)能收集器 (1)、熱聲諧振管(2)、熱端換熱器(3)、熱聲板疊(4)、冷端換熱器(5)、電解質(zhì)液體(9)、液柱振幅放大管(7)、發(fā)電裝置(8)、磁體(9)、電極(10)， 熱聲諧振管(2)為環(huán)狀管道，熱聲諧振管環(huán)狀管道上部設(shè)有熱聲核，熱聲核依次設(shè)有熱端換熱器(3)、熱聲板疊(4)、冷端換熱器(5)，熱聲諧振管下部裝有電解質(zhì)液體(6)，熱聲諧振管環(huán)狀管道一側(cè)底部與液柱振幅放大管(7)相連接，液柱振幅放大管(7)由放大細(xì)盤(pán)管和直管段組成，在液柱振幅放大管(7) 的直管段上裝有發(fā)電裝置(8)，發(fā)電裝置(8)包括磁體(9)和電極(10)，熱聲核的熱端換熱器(3)相對(duì)應(yīng)處設(shè)有太陽(yáng)能收集器(1)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2—種以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的電解質(zhì)液體(6)為碳酸氫鈉、碳酸氫鉀或磷酸二氫鈉。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲發(fā)電方法及其系統(tǒng)。熱聲發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能收集器、諧振管、熱聲板疊、冷端換熱器、熱端換熱器、電解質(zhì)液體、液柱振幅放大管、發(fā)電裝置等，發(fā)電裝置除周期振蕩運(yùn)動(dòng)的電解質(zhì)外，還包括磁體和電極等。本發(fā)明采用以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)源的熱致聲效應(yīng)產(chǎn)生的氣體壓力振蕩，轉(zhuǎn)換為諧振管中電解質(zhì)液體的周期振蕩運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)液柱振幅放大管把小振幅的液位振蕩放大到一個(gè)大振幅的液位振蕩，由此增大電解質(zhì)液體柱的流速。最后，周期振蕩運(yùn)動(dòng)的電解質(zhì)液柱切割垂直于液柱運(yùn)動(dòng)方向的磁力線(xiàn)，在電極上產(chǎn)生電勢(shì)差而發(fā)電。本發(fā)明意在利用太陽(yáng)能這一可再生能源，驅(qū)動(dòng)一熱致聲轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在缺乏電力的地方，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電的功能。
文檔編號(hào)F03G7/00GK101344077SQ20081006138
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者林小鋼, 珂 湯, 滔 金, 陳國(guó)邦 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)