基于热声效应和驻极体声电换能器的废热发电装置及方法

摘要

基于热声效应和驻极体声电换能器的废热发电装置及方法，该装置包括废热回收管和热‑声‑电转换器；热‑声‑电转换器由若干数目的转换单元构成，每个转换单元由增速管、回热器和驻极体声电换能器构成；本装置废热收集管底部置于热源处，热流通过废热收集管，由于该管收敛作用，热流密度得以增大，进而加热热‑声‑电转换器内部工质，工质受热移动，在增速管中体积收缩，速度增大，能量密度增大，并接着在回热器处发生热声转换，产生声波，由回热器发出的声波驱动驻极体声电换能器产生电能；本发明装置对废热品质要求低，转换效率高，无运动部件，结构紧凑，性能稳定，所用材料经济，加工难度小，成本很低，适合各类废热回收场合，易于推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及基于热声效应的废热回收技术领域；具体涉及一种基于热声效应和驻极体声电换能器的废热发电装置及方法。

背景技术

在全球能源供应中，利用石油、天然气、煤等化石燃料的燃烧来推动发电机发电或者直接推动内燃机产生动力的传统能源供应在今天依然是其中的主要部分；化石燃料利用的典型场合如热电厂、汽车内燃机等，燃料蕴含的能量都只有一部分可以转换成我们所需要的电能或者机械能，而又相当大的一部分能量在转换过程中以热量的形式耗散在周围环境中；这样的能量耗散一方面降低了化石燃料的利用率，加速了化石燃料的耗尽速度和燃料使用中污染物的排放，这在化石能源日趋枯竭和环境问题日趋严重的今天无疑是摆在全人类面前的难题。太阳能作为一种新型能源，越来越受到人们的重视，然而目前的太阳能光伏发电中，光伏电池发热仍然是一个棘手问题，光伏电池发热严重削弱了光电转换效率，降低了能量利用率和能量密度。

在上述场合中，耗散的热量也是能源，但其热品质低，难以有效利用。科学技术人员长久以来一直致力于热电厂、内燃机等的废热回收问题，提出了一些方法，诸如利用废热进行供暖，利用内燃机废热进行废热涡轮增压或者利用废热推动涡轮机发电等。这些技术一定程度上提高了能量利用率，但仍然面临诸多问题。例如利用废热取暖只能在冬天发挥作用，废热涡轮增压难以实现与发动机的全工况匹配，需要蓄电池辅助驱动，废热涡轮发电则可能提高排气背压，对发动机产生负面影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于热声效应和驻极体声电换能器的废热发电装置及方法，本装置对废热品质要求低，温差从数百摄氏度到低至70摄氏度均可有效回收；废热回收效率高，热效率可大40％以上；使用范围广，可应用于热电厂、汽车发动机、动力机械内燃机、光伏阵列等多种现场，废热转换为电能，可供给多种电力需求；结构简单，无运动部件，装置稳定性好，使用寿命长，适合大规模推广应用。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于热声效应和驻极体声电换能器的废热发电装置，包括废热回收管1和置于废热回收管1顶部的热-声-电转换器2；所述的废热回收管1形状为收敛喷管或拉瓦尔喷管；其底部为开放或者封闭，顶部为半封闭或者封闭，所述废热回收管1的材料为钢材、陶瓷、塑料或者玻璃；所述的热-声-电转换器2为多个转换单元3首尾相连构成的串行回路，每个转换单元出口一侧接入下一个转换单元入口一侧，内部工质为压缩空气或压缩氮气。

所述的转换单元3由依次连接的增速管4、回热器5和驻极体声电换能器6构成，增速管4底部与废热回收管1顶部接触。

所述的增速管4形状为收敛喷管或拉瓦尔喷管，材料为钢材、陶瓷、塑料或者玻璃。

所述的回热器5为多层板结构5-1、细管束结构5-2或多层板和细管束结合结构5-3，材料为钢材、陶瓷、塑料或者玻璃。

所述的驻极体声电换能器6由空心棱台电极8和置于空心棱台电极8顶部的石墨基驻极体薄膜7构成，石墨基驻极体薄膜7形状为环带状，薄膜承载物为高聚物丝网或金属丝网；石墨基驻极体薄膜7与回热器5的出口相连。

所述的转换单元3的数量为四个。

所述一种基于热声效应和驻极体声电换能器的废热发电装置的发电方法，将废热回收管1底部置于热源处，热流通过废热回收管1，由于该管收敛作用，热流密度得以增大，并加热热-声-电转换器2内部工质，工质受热移动，在增速管4中体积收缩，速度增大，能量密度增大，并接着在回热器5处发生热声转换，产生行波声波，由回热器5发出的声波驱动驻极体声电换能器6产生电能；热-声-电转换器2为多个转换单元3构成的完整回路，内部工质在工作中产生行波振动，每个转换单元3中由回热器5冷端发出的声波推动驻极体声电换能器6后进入与该转换单元相连的下一个转换单元的增速管4，提高了增速管4中工质密度和能量密度；该装置喷管形式废热回收管1、串行回路的热-声-电转换器2和增速管4的设计有效提高了整个废热回收发电装置的转换效率。

本发明的优点：

(1)本装置充分利用废热回收管1和增速管4的能量密度提升作用，对废热品质要求低，与环境温差从数百摄氏度到低至70摄氏度的废热均可有效回收。

(2)本装置的串行回路热-声-电转换器2有效提升了废热回收效率，热效率可达40％以上。

(3)本装置使用范围广，可应用于热电厂、汽车发动机、动力机械内燃机、光伏阵列等多种现场，废热转换为电能，可供给多种电力需求。

(4)本装置结构简单，无运动部件，装置稳定性好，使用寿命长，适合大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明装置结构俯视示意图。

图3为转换单元示意图。

图4为回热器结构示意图。

图5为驻极体声电换能器示意图。

图6为本装置应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，本装置由两大部件构成，一是废热回收管1，二是安装在废热回收管1顶部热-声-电转换器2。废热回收管1的底部可以为开放或者封闭以便适用不同的应用场合：废热主要为对流形式时，采用底部开放的废热收集管，更能有效收集热量；废热主要是热辐射形式时，采用底部封闭的废热收集管，更能有效收集热量。废热收集管顶部1为半封闭或者封闭形式，以适应不同的应用场合与底部形式。

参照图2和图3，安装在废热回收管1顶部的热-声-电转换器2为4个转换单元3首尾相接构成的完整回路。每个转换单元3由增速管4、回热器5和驻极体声电换能器6构成。每个转换单元3的增速管4底部与废热回收管1顶部接触，增速管4中的工质被废热回收管1中的热流加热，通过增速管4的提速作用流向回热器5，在此处发生热声转换，回热器5产生的声波推动驻极体声电换能器6产生电能。工质在整个热-声-电转换器2以行波振动传输能量。

参照图4，回热器5为多层板结构5-1、细管束结构5-2或者多层板和细管束结合结构5-3。

参照图3和图5，声电换能器6由石墨基驻极体薄膜7和空心棱台电极8组成，声电换能器6的石墨基驻极体薄膜7一侧与回热器5的出口相连。石墨基驻极体薄膜7受到声波作用时发生振动，导致石墨基驻极体薄膜7与空心棱台电极8之间产生交变电压，对外输出电能。

参照图6，本装置基本应用方式为废热热源驱动本装置产生交变电压输出，通过电源管理装置进行电力管理分配，从而驱动负载工作。

本发明工作原理为：

本发明工作原理分为两部分，第一是热声效应，第二是声电转换。热声效应原理为可压缩流体介质在受热时发生膨胀和位移，与换热器的固体壁发生热作用，从而产生振荡声波，它是热能与有序声能的直接转换，即实现热能到机械能的转换。本发明中声电转换是利用声能驱动石墨薄膜振动，使得石墨薄膜和与之对应的电极之间产生交变电压，实现机械能到电能的转换。声电转换的原理可以用以下公式表示。

其中Q是驻极体所保有的固定量电荷，C是驻极体与另一极板之间的电容，U是驻极体与另一极板之间的电压。Q固定，当C变换，U即变化。