热声发电机

热声发电机机理研究与发展展望

黄德中

绍兴文理学院 312000

摘要：首先简要介绍了热声效应。指出热声热机是基于热声效应工作的、没有机械运动，是一种可靠性高和环保的新型能源转换机械，重点介绍了热至超声波和斯特林热声发动机工作原理，分析斯特林热声发动机的热力学过程，讨论热声振荡起振机理为：储能阶段、起振阶段，振荡系统趋于定常阶段三个阶段组成。最后介绍了声波电机及工作原理和热声发电发展展望。

关键词：热声发电热声效应斯特林热声发动机

中图分类号：TG156 文献标识码：A

0 引言

低碳能源和低碳是今后的主要能源和经济模式，利用太阳能是人类关键的选择，太阳能利用研究目前主要在太阳能硅电池、太阳能热水器、太阳能聚能烟囱发电上，太阳能热声发电也是一种很有发展前途的太阳能利用技术。

热声效应就是热与声之间相互转化的现象，利用热声效应制造而成的热声发动机与热声制冷机统称为热声热机。热声发电技术是一种全新的热发电技术，它基于热致声效应而工作，可将热能转化为声能并直接由直线发电机等换能设备产生电能。热声热机具有以下优点：（1）热声发电技术可利用太阳能、工业余热产生的热能来工作，没有碳增量，是一种无碳发电模式，因而热声发电技术正在成为能源动力研究领域里的一项前沿技术。（2）系统中没有运动部件，从根本上消除了常规机械普遍存在的磨损与振动，可望满足长达数年的无维修使用寿命等特殊要求，为现代工业提供完全没有运动部件的新型动力机械；（3）采用对环境无害的工作流体(如惰性气体等)，即不消耗同温层的臭氧，也不会引起温室效应，（4）可实现高效率的声学斯特林循环，且采用外燃式工作，因此，具有可靠性高、制作成本低、热效率高(30％～40％)以及环保等优点。因此，热声发电技术极具发展潜力和应用前景。

1、热声原理

1．1 热至超声波原理[1]

日本东京农业和工程大学H. Shinoda等以多孔硅为材料，借助热传导原理，研制出了一种可产生高强超声波的新装置。热传导原理可作为产生超声波的一种新手段。他们在研究中发现，通过将热量从高温的多孔硅传导至空气，可以产生可靠性更高的高强度超声波。多孔硅热至超声原理如图1所示，该装置用一个薄的铝片电极（30nm）厚，一个多孔的硅层（10nm）厚，一个P型水晶硅薄片(c-si)，多孔硅层由许多有限硅纳米微晶体与三维空间纳米孔，多孔硅层（70%空率）是由一个常规阳极电镀技术成型加工的，铝电极用于输入正弦电流到多孔硅层，温度由加热器提升。基于热传导现象的理论分析，在多孔硅/空气系统中，假设热功率密度为

)

(

q，在多孔硅膜表面通过一个充分的薄金

通信作者:黄德中（1963—），男，浙江绍兴人，绍兴文理学院机电系教授，硕士，主要从事新能源研究。联系email;huangdz1@

属膜在上面，多孔硅层的厚度：

C

D d ωα

2≡

> （1） 式中α与C 代表导热系数和热容积， 表面温度变化为)(0ωT C

j q T ωαωω)()(0= （2）

图1热至超声波原理

Figure 1 the principle thermo-ultrasonic

如果忽略多孔硅进入空气的热流，温度变化及声压

通过交变的空气热膨胀进行，则由热至超声波效应产生的超大型为：

),()

ex p(),(ωαωq C

jkx A

x P -=A

A

A a T P C A νγα=

（3）

式中，T 是温度，V 是声速，K 是自由空间声波数，是空气热传导率，C 是空气单位体积热容，在这个公式中假定K<<声波长远大于热扩散长度，流出装置的热远大于进入空气的热。 1．2 斯特林热声发动机原理

1999年，Backhaus 和Swift 设计制作了一台新型行波型热声发动机(或称热声斯特林发动机)，如图2所示，该发动机主要由行波环路和谐振管组成，通过合理设计环路管段的结构尺寸使回热器处于行波声场，同时将行波回路布置在谐振管的一端从而提

高了回热器处的声阻抗，在环路主水冷器的上方安

装了一个喷射泵，通过调节喷射泵流道进出口截面积之比改变其流阻系数，从而获得抑制Gedeon 流的压力差。此外，介于加热器和次级水冷器之间的热缓冲管具有较大的温度梯度，很容易引起Rayleigh 流，为此将热缓冲管的内壁设计成锥形，通过流通截面积的变化，成功地抑制了Rayleigh 流。这是Ceperley 的设想和现代热声理论结合的成果[2 ]。实验结果表明，新型行波型热声发动机的热效率(系统向谐振管输出的声功与系统吸收的热量之比)可达0．30，其相对卡诺循环效率高达42％，这比以往的热声发动机效率要高出50％以上

图2 Backhaus 等人设计的热声斯特林发动机

Fig ．2 thermoacoustic-Stirling heat engine by Backhaus desigen

热声斯特林发动机理想的斯特林循环中，工作气体经历了两个等容及两个等温过程，压力—体积图如图3所示。从声学角度看，斯特林循环中气体经历着压力振荡与速度振荡，且它们之间的相位关系与行波的相位关系是一致的，在行波发动机中，热流方向依然与声波传播方向相反，声波从冷端传向热端，而热量由热端传向冷端。因此行波热机中通过比较声波人口端与出口端的温度高低，就可确定声功与热量的转化关系。例如当入口端的温度低于出口端的温度时，声波可以得到放大；相反，声波将会衰减。

图3 热声斯特林发动机的循环P-V 图和行波压力与速度关系

Fig．3 P-V cycl of thermoacoustic-Stirling heat engine o

从前述的热声现象中可知，热声系统一般是由高温热源和低温热探以及两相工质组成的系统，其中一相工质为具有可压缩性的流体，另一相工质为固体，当系统满足一定的几何和热力学边界条件时热声效应显现出来。热声效应是当具有压缩性的流体工质在该系统中进行声振荡时与固体工质之间进行热力相互作用而发生的时均能量转换效应，即消耗热能得到声功，或是消耗声功而产生定向热流。声波属于纵波，伴随着声波在流体中的传播，流体在声波的作用下基本处于等熵压缩(考虑到非理想流体也

只会产生少量热耗散)，这不会产生可以利用的热效应。从热声现象研究中逐渐发展起来的热声学揭示了热声效应的起源：声波在流体中纵向传播的同时伴随着振流体与固体之间横向交变的动量和热量的交换。这两个方向波动扩散的相互作用使得热声的效应得以产生和维持，两个方面缺一不可，否则只能是单一的热现象或是单一的声现象，热声效应的另一个意义是热和声之问的转化并不是单一方向的，这个效应既有热向声的转换功能，又有声向热的转换功能，而后一个转换不是简单意义上的热耗散，而是由消耗声能实现热能品质的改变和热量的迁移。热声研究中将这两种热声效应分别称为热产生声的热驱动声振荡和声产生热流的声驱动热传递。

对于振荡的气体周期性地加人热量和吸收热量，热量必须与振荡之问满足一定的相位关系。当以热功转换为目标时，合理的供热方式是在最太压缩时向气体加人热量，而在最太膨胀时由气体排出热量，这样的供热条件将强化声振荡，实现了热能向声能的转换。条件是，一是供热方式必须是周期性的变化，二是供热的周期变化与压力波动之间有合适的相位关系。供热激起声振荡的必要条件是供热的波动方式，并且与声压波动之间具有合适的相位差，使工质能够完成热力学循环。而热能转化的机械能以热力学循环的节拍注人到声振荡系统之中来维持声能的连续输出。供热热源的波动分量与压力波动分量之间必须满足一定的相位关系,

热声效应的稳定实现必须取决于整个热声热机

的系统组成，除回热器内的流体微团振荡外，还有必要讨论回热器之外的流体微团的循环。位于冷热换热器内的流体微团在声振荡过程中固体壁面为等温，可以认为微团进行的是等温可逆过程，循环的结果没有产生声功。而处在换热器与回热器交界处位置的流体微团可以进入回热器和换热器(高温换

热器相邻处的情况)。整个热声振荡过程分为：储能阶段、起振阶段，振荡系统趋于定常阶段。

（1）热声储能阶段

有热量输入后，在换热器作用下回热器两端会形成温差，此时温差还远小于系统定常振荡的临界温度阈值。随着纵向温差的出现，回热器内的气体微团由于密度变化而出现了纵向位移振荡。在热声储能阶段，微团的位移振荡是围绕包括系统本征频率在内的某宽频带的声压振荡，所以系统仍处于稳定的热力学平衡态。在两端温差和微团位移振荡的作用下，由于回热器物理结构的导热有限性及流体的粘性效应，使回热器调制出横向熵波。但是由于两端温差还很小，所以回热器调制出的横向熵波仅处于形成的初期，其作用可以忽略。因而在此阶段内回热器这一有源元件所产生的流放大作用也可忽略，所以在储能阶段，网络模型的拓扑结构上源项被忽略了。同样的原因使流体微团的位移振荡产生的流体容积流率不足以贯穿整个系统，这样表示流体质量惯性的流感和粘性流阻因此可被忽略。（2）起振阶段

热量的持续输入，使回热器两端的温度差逐渐升高并接近系统所需的振荡的温度阈值。回热器纵向温度差的增加(如图3)使气体微团的密度变化加剧，微团的位移振荡随之增大。被加大了的位移振荡和增大了的纵向温差的耦合使回热器调制出的横向熵波已经能够对系统内的声功流起到放大作用，因此，这时的横向熵波已经不容忽略。所以，在系统的网络拓扑结构中回热器所起到的源项作用已经出现。同样，气体微团位移振荡的加剧使流体的容积流率随之加大，这样表征流体惯性质量的流感和导致声功粘性耗散的流阻都已经不容忽视在起振阶段，回热器调制出的横向熵波只使那些频率位于系统本征频率附近的声压振荡得以放大，系统已经处于谐振状态，或称为流放大作用。通过自组织作用，回热器不断的把外界输入的热量部分输入给声流，这样整个系统开始偏离热力学平衡状态，并且声能集中于振荡频率位于本征频率附近的声流。

（3）振荡系统趋于定常阶段

回热器的纵向温度差达到了某临界阈值时，，系统声功瞬间达到最大，并迅速下降至定常态。这是因为回热器内振荡流体的容积流率已经被放大到足