雙作用熱聲發電技術的高效工作機理研究

《雙作用熱聲發電技術的高效工作機理研究》是依託中國科學院理化技術研究所，由吳張華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：雙作用熱聲發電技術的高效工作機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：吳張華
• 依託單位：中國科學院理化技術研究所

項目摘要

本項目基於熱聲學、電機學等基本原理，研究一種雙作用熱聲電技術的高效工作機理。該技術將熱能轉換成聲能、再將聲能轉換成電能，從而完成熱電轉換。研究採用熱聲發動機實現熱-聲轉換、採用直線發電機實現聲-電轉換。為了提高結構緊湊性，項目採用雙作用發動機流程，取消了傳統熱聲發動機用的諧振管，大幅提高了系統功率密度。該技術具有潛在效率高、可靠性好、功率靈活等優點，是一種極具實用價值的新型熱電技術。項目研究的主要內容包括：(1)雙作用熱聲發動機的高效工作機理研究；(2)雙作用熱聲發動機與直線發電機整機系統的熱-聲-電間高效耦合的工作機理研究；(3)整機一致性工作的影響規律研究；(4)較大功率往復運動直線發電機高效聲電轉換機理。本項目研究目的是為了探索出一種具有實用價值的熱發電技術。項目若能成功完成將對改善我國的環境污染問題及能源短缺問題將起到巨大的推動作用。

結題摘要

外燃式的熱發電技術可以利用於太陽能、餘熱回收等領域，近年來倍受關注。熱聲發電技術是一種新型的外燃式熱發電技術，具有可靠性好、潛在效率高、功率靈活等特點。由於傳統的熱聲發電技術在系統尺寸、功率密度上難以得到進一步提升，本項目基於熱聲學、電機學等基本原理提出了一種雙作用熱聲發電技術，並對其高效工作機理進行了深入研究。雙作用熱聲發電系統通過多個發動機核心單元與諧振機構的合理布置，既保留了系統高效工作所需的聲場條件，又消除了傳統熱聲發電系統中的駐波諧振管、反饋管等大尺寸部件，提高了系統的緊湊性。在對工作機理充分理解的基礎上，項目提出了兩種不同諧振形式的流程：一是以雙作用直線發電機為諧振機構的機械雙作用熱聲發電流程，直線發電機一方面實現發動機單元出入口間的相位調節，同時將部分聲功傳遞給下一級發動機單元；另一方面將剩餘聲功轉化為電功；二是以行波諧振管為諧振機構的氣體雙作用熱聲發電流程，直線發電機旁接於發動機單元出口將部分聲功轉化為電功，諧振管實現發動機單元出入口間的相位調節並將剩餘聲功傳送至下一步發動機單元。項目按上述兩種流程分別進行了理論設計與實驗研究。項目設計的機械雙作用熱聲發電樣機以5.0MPa氦氣為工質，在650℃的加熱溫度下獲得了1.57kW的電功輸出，熱電效率16.8%。實驗發現了熱應力會造成氣缸變形、大幅增加活塞阻尼係數、嚴重影響系統性能的問題。項目設計的氣體雙作用熱聲發電樣機以6.0MPa氦氣為工質，在650℃的加熱溫度下獲得了最大輸出電功9. 0kW及最高熱電效率22.9%。如何進一步抑制諧振管、熱緩衝管等損失還有待進一步深入研究。