| 题名 | 行波热声发电系统工作机理的研究 |
| 答辩日期 | 2011 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 罗二仓 |
| 关键词 | 热声 热声发电 直线电机 行波热声发动机 耦合机理 太阳能 |
| 学位专业 | 博士 ; 制冷及低温工程 |
| 中文摘要 | 行波热声发电系统由行波热声发动机和直线电机组成，这是一种新型的热声利用技术。行波热声发电具有可靠性较高、对环境无污染、内禀效率较高、可以利用多元化的热源等诸多优点。但现有行波热声发电系统的输出能力和效率都有待进一步提高，尤其是对于行波热声发动机和直线电机之间的耦合机理尚未明确。围绕这些问题，作者主要对以下几个方面开展了研究工作，并取得了重要进展： 1. 行波热声发动机的工作特性研究 设计并组建了一台内径100mm的高效行波热声发动机，以此为物理模型建立了计算平台并通过实验验证了该平台的准确性；进行了全面而细致的无负载性能实验，对不同的频率、回热器、室温端温度以及放置姿态等运行参数对发动机性能的影响做出了评估，并综合选取了最优的运行参数。 对定温度和定压力振幅比情况下发动机的声功输出特性进行了研究，用计算和实验相结合的方法着重对发动机的定温度声功输出特性进行了系统性的分析，考察了不同热端温度和不同负载阻抗下发动机输出声功和输出效率的分布情况，为行波热声发电系统的耦合提供了基础性的数据和规律指引。 在以平均压力4MPa的氦气为工质、热端温度650℃、运行频率为75Hz时，该发动机以25.1%的输出效率获得了最大1479W的输出声功；在输出声功为904W时，热声效率达到了27.4%，为现有输出效率最高的行波热声发动机。 2. 直线电机的工作特性研究 基于力平衡方程和电平衡方程推导出了适用于直线电机的理论公式，并对输出电功、消耗声功以及声电转换效率的优化进行了定性分析；以LM5531型直线电机为物理模型，从计算的角度出发分析频率、外接电阻及入口压力波动对直线电机性能的影响，这些参数同时也是行波热声发电系统耦合过程中的重要条件参数。 结合对行波热声发动机输出特性的研究，提出采用阻抗分析的方法整体考虑直线电机的工作特性，用直线电机的阻抗来整体表征其多个参数，使耦合过程变得简单明了并且准确可靠。从数值的角度出发给出了直线电机阻抗理论计算公式，在此基础上定性分析了活塞面积对阻抗的影响；随后对频率、外接电阻及电路阻抗虚部等重要参数对直线电机阻抗的影响进行了计算分析，对直线电机的阻抗分布趋势有了大体掌握；在此基础上，采用“黑箱方法”对该电机的阻抗分布进行了系列性的测量，在验证数值计算的同时为下文中行波热声发电系统的耦合提供了详细的数据基础。 3. 行波热声发电系统的耦合机理及工作特性研究 对行波热声发电系统的耦合规律进行了机理性分析，在阻抗分析的前提下，将耦合过程中的众多参数条理性的整理为匹配条件、限制条件和优化条件，使行波热声发电系统的耦合过程更加直观和准确。 对一台设计功率为1kW的行波热声发电系统进行了示范性耦合实验，分为初步耦合和优化耦合。前者以预测系统性能、确定工作参数为主；后者则是为了优化系统性能以达到设计目标。在优化耦合中，从阻抗分析的角度出发，通过改变运行频率来优化耦合，使系统的性能得到了明显提升。在验证实验中，该系统以17.7%的热电转换效率获得了最大1043W的输出电功；当输出电功为1007W时，热电转换效率达到最大值18.6%，是目前输出电功最高、同时热电转换效率也最高的行波热声发电系统。 另外，在一台500W行波热声发电系统的基础上对其工作特性进行了实验研究，分别在固定活塞位移和外接电阻的情况下考察系统输出参数的变化情况，为整体系统优化提出了进一步的意见。 4. 太阳能行波热声发电系统的实验研究 在对行波热声发电系统耦合规律及工作特性深入理解的基础上，组建了世界上首台太阳能行波热声发电系统，为清洁能源的高效利用提供了新的方案。初步实验，以氦气为工质，工作频率为76.8Hz，在平均压力为3.6MPa时获得了最大137W的发电量；在平均压力为4.5MPa时获得了最大250W的发电量。初步验证了太阳能行波热声发电这种新技术的可行性，为可再生能源利用开辟了一条新的道路。 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://202.127.2.71:8080/handle/181331/10967]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_全文传递文献库_qwcd 学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | . 行波热声发电系统工作机理的研究[D]. 中国科学院研究生院. 2011. |
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