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行波热声发电机理论与实验研究

程鹏  
【摘要】:行波热声发电系统是近年来发展起来的一种新型热声发电装置,它由热声发动机和发电机两部分组成。具有诸如无运动部件、可利用低品位能源、对环境友好等优点。但已报道的行波热声发电系统,其电功输出能力和热电转换效率都不甚理想,热声发动机和发电机之间的耦合特性尚不明确,昂贵的直线电机阻碍了热声发电技术的商业化进程,低成本的热声发电系统的整机性能有待提高。围绕这些问题,本文开展了以下几项工作:1.深入探讨低成本热声发电系统的研究工作,设计了一台两级行波热声发电系统,系统由两个行波热声发动机和两个发电单元组成。出于成本的考虑,利用扬声器代替传统直线电机作为发电单元。给出了热声发电单元的声学网络图,基于该网络图推导了热声发电单元的基本表达式,综合考虑输出电功和热电转换效率选择合适的扬声器作为电机。给出了不同参数下多种扬声器的性能对比。2.对热声发动机单元和发电机单元进行了理论分析,创新性设计出两级行波热声驱动发电系统:两个热声发动机均位于环形圈的高阻抗低流速区,一个发电机置于环形圈的低阻抗区,另一个发电机置于旁支管顶部。发动机置于高阻抗区是由于高阻抗区流速小,可以减小声波的粘性损失。发电机置于高流速区是因为高流速意味着更大的振荡速度和位移,发电机的电功输出能力与振荡速度是正相关的,这样可以获得更大的电功输出。3.采用数值仿真软件DeltaEC对该新型热声系统进行了数值仿真和优化分析。4.基于数值优化分析,搭建了一台行波热声发电机系统试验平台。相比于仿真模型,实验装置加入球形阀来调节由于加工误差引起的声场变形。装置充入氦气且充气压力为18bar时,系统谐振频率为171Hz,总热电效率在总输入电功为5.4kW时达到最大值3.43%,在输入电功为6kW时,系统总输出电功可达到为204W。5.利用电-声类比法给出了系统等效网络图,分析了系统的驻波比。结合线性热声理论对环形热声发动机内声场进行行驻波分析,研究了系统关键参数对驻波比的影响。结果表明,环形结构内的阻、感和容等参数对驻波比有较大影响。


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