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热声直线发电系统声学阻抗匹配机理与匹配性设计研究

何新  
【摘要】:能源互联网是当今世界能源领域研究热点问题之一,热声发电技术在冷热电联供系统的应用直接提高一次能源利用效率,也可在太阳能、汽车尾气及工业余热等可再生能源发电领域进行应用,极具市场潜力和广泛应用价值,可望成为微电网及能源互联网的重要组成部分。热声直线发电系统由热声发动机和直线发电机组成,直线发电机嵌入到热声发动机的声学流道,导致两机声学阻抗不匹配。这种不匹配使直线发电机捕获声功和系统输出电功减少,声电效率降低,成为热声发电系统大规模工程应用亟待解决的问题。本文针对以提高直线发电机捕获声功、系统输出电功和声电效率为设计目标的两机声学阻抗匹配机理进行了系统地研究,提出直线发电机声学阻抗优化设计方法,使之与热声发动机的声学阻抗匹配,提高整机的性能。主要研究内容如下:结合热声发动机热声效应、声波压力、体积流速及声功等数学模型,分析两机耦合处输出的声学特性。根据声学两相流定理、交变流动热机的介观热力循环理论、声学线性理论和热声流源理论,采用声力电类比的分析方法,提出热声直线发电系统声学阻抗互联模型,系统地分析了直线发电机声学阻抗结构及其与热声发动机的耦合特性。与现有的研究方法相比,声学阻抗互联模型系统地分析了直线发电机弹簧机械刚度系数、负载电容和负载电阻在系统声学阻抗构成中的作用,为从直线发电机角度进行热声发电系统声学阻抗优化设计提供新思路。同时该模型为优化设计直线发电机的声学阻抗,实现两机声学阻抗匹配提供理论依据。为提高热声发电系统捕获的声功、输出的电功和声电效率,提出一种动力学约束型直线发电机弹性储能调谐方法。结合热声直线发电系统声学阻抗互联模型和动力学约束型直线发电机弹性储能调谐机理,提出直线发电机弹簧机械阻抗和负载容抗双阈值设计方法,使发电机从热声发动机声学流道捕获的声功最大。提出直线发电机双功率优化声学阻抗匹配设计方法。该方法通过优化弹簧刚度系数、负载电容和负载电阻阈值,实现以系统安全运行和提高捕获声功为约束条件,输出电功最大的设计目标。提出实现最大声电效率的直线发电机声学阻抗匹配设计方法。所提出的动力学约束型直线发电机弹性储能调谐方法易于工程设计,可控性好,实时性强,可以有效地提高整机的匹配性。根据热声直线发电系统声学阻抗互联模型和声学线性理论,系统地推导出具有弹性储能调谐功能的直线发电机捕获声功、输出电功、声电效率、定子电流、定子电压、动子位移、两机耦合处气体工质声波体积流速有功分量和无功分量、声学阻抗实部和虚部、声学阻抗角及电磁力有功分量和无功分量等解析表达式,为从直线发电机的角度研究热声发电技术提供了参数计算和设计方法。提出直线发电机成为热声发动机声学感性负载、声学阻性负载和声学容性负载的阈值规律,为直线发电机嵌入到热声发动机不同位置进行优化设计提供理论依据。搭建以热声发动机、直线发电机、检测系统、控制系统和电负载为主要组成设备的热声直线发电系统实验平台。利用丁烷气体燃烧模拟低品质热源供热,通过控制丁烷流量改变输入到热声发动机的热量。通过优化设计弹簧机械刚度系数、负载电阻和负载电容阈值,改变直线发电机声学阻抗。测试非优化设计和优化设计条件下直线发电机捕获的声功、输出的电功和声电效率。利用Matlab软件数值计算和实验平台验证所提出的动力学约束型直线发电机弹性储能调谐方法,即双阈值方法、双功率优化方法和最大声电效率方法的正确性。通过对双阈值方法和双谐振方法进行发电机捕获声功的实验数据对比分析,说明双阈值方法可以实现直线发电机捕获的声功最大。通过对双功率优化方法、双谐振方法和声学调谐Stub方法进行系统输出电功的实验数据对比分析,说明双功率优化方法输出的电功最大。通过对最大声电效率方法、双谐振方法和声学调谐Stub方法进行系统声电效率实验对比分析,证明最大声电效率方法的有效性。本文通过研究直线发电机的声学阻抗特性,使之与热声发动机的声学阻抗匹配,为提高热声发电系统性能提供新的研究思路和新方法。


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