1kW碟式太阳能行波热声发电系统

碟式太阳能行波热声发电是近年来兴起的新型热发电技术,具有可靠性好、潜在效率高、分布灵活等优点。本文介绍了正在研制的一套1 kW碟式太阳能行波热声发电系统。该系统利用碟式集热器收集太阳辐射热量,通过高温热管将热量传输到发动机热端,再采用行波热声发电机进行热-电转换。初步调试采用高频加热模拟太阳能,以3.5 MPa氦气为工质、加热温度为751℃和798℃时分别实现了116 W和255 W的电功输出。实验验证了系统的可行性。目前系统的安装调试仍在进行中,相关的实验结果将在后续的文章中进行报道。     

行波热声发动机声功输出特性研究

行波热声发动机具有效率高、可靠性好及环保等优点.本文分别以氮气和氦气为工质研究了行波热声发动机的声功输出特性.在平均压力为3.0MPa,输入功率为3000W时,氮气为工质获得最大492.3W输出声功,氦气为工质获得最大691.3W的声功.此外还针对两种不同锥度的锥形谐振管发动机的声功输出特性进行了对比研究.研究表明:设计合理的谐振管一方面能够有效降低加热温度,有利于利用低品位热源;另一方面还能有效地降低损失,在相同的加热量下具有更高的压比、更大的输出声功及效率.     

直线电机驱动回热器性能研究

本文提出并搭建了一种采用直线电机驱动的回热器热声转换实验台,通过调节负载阻抗改变回热器处声场条件,研究回热器在不同声场下热声转换特性。文中首先对实验系统进行了数值模拟,结果表明,回热器存在最优的工作声场,但由于有限水力半径因素,最优声场会偏离行波相位。计算中系统获得了最大1300 W净输出声功,热声效率达到35%。之后进行的实验实现了回热器处声场的调节,验证了回热器的声功放大作用,并获得了与数值计算相同的趋势。     

热声斯特林发电系统的实验研究

本文介绍了一台由热声斯特林发动机及其驱动的直线发电机组成的热声斯特林发电系统原理样机.一方面为满足发电机与发动机间体积流率和相位的匹配要求,另一方面为了能在直线发电机活塞处获得较好的压力波与体积流率间相位关系、提高直线发电机的电功输出能力,装置保留了发动机原有的锥形谐振管.初步实验以氦气为工质,在2.5MPa平均压力、64Hz工作频率下,获得了97W的电功.本文还分析了该热声发电系统的效率,得出直线发电机声电转换效率超过了0.8.然而由于谐振管耗散了大量的声功,目前整机的热电转换效率还较低.     

余热驱动下双级行波热声发电机的研究

本文根据部分无法得到供电的贫困用户的调查结果,结合用户的用电需求及当地的传统烹调习惯,研制了一款利用炉灶余热驱动的双级行波热声发电机。该发电机与以木材为燃料的炉灶结合,利用炉灶燃烧后的余热作为热声发动机的驱动热源,并使用商用低成本的扬声器作为直线电机,把声功转化为有用的电能,实现热-声电的转换过程。实验初步结果显示:该双级行波热声发电机在标准大气压和空载的情况下,实现较低的自激振荡起始温度;在外接负载的情况下,对标准大气压和加压至50 kPa时分别实现了12.6 W和22.7 W的电功输出。这一成果对解决贫困地区人民无法用电的问题具有很大的意义。     

热驱动室温行波热声制冷机的实验研究

本文报道了热声驱动的室温行波热声制冷机的实验研究。以氦气为工质研究了平均充气压力、工作频率等参数对制冷性能的影响。实验达到的最好结果为:最低温度为-47℃,在-20℃的制冷量为80W,按输入制冷机的P-V功计算,相应的制冷系数COP达到1.6左右。     

燃气和电驱动热声发动机的对比研究

热声发动机利用热声效应把热能高效转化为声功,系统中不存在任何机械运动部件,应用前景光明.热声发动机的一个突出优点是直接采用热能驱动,可以提高低温位热能的品位.在原有电驱动热声发动机的基础上,制作了一台燃气驱动行波热声发动机,以氮气为工质,充气压力为1.2 MPa时,获得了1.34的最大压比.对电驱动和燃气驱动两种加热方式作了对比研究,得到了燃气驱动条件下热声发动机的起振状态、加热功率和直流抑制的规律.     

热声驱动摩擦纳米发电机研究

热声发动机作为一种新型的外燃式热机,具有可靠性高、使用寿命长、环境友好等优点,在热声发电、热驱动制冷等领域具有重要应用前景。本文结合热声技术和摩擦纳米发电技术的特点,首次提出了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一热-声-电换能新流程。理论计算了驻波热声发动机和接触分离式摩擦纳米发电机采用末端耦合结构时的换能特性,并开展了系统实验研究。实验中,热声驱动摩擦纳米发电机获得了最高10 V的开路电压输出;在外接电阻为400 MΩ时,最高输出功率为0.008μW,验证了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一概念的可行性。     

行波热声发动机的优化设计

对行波热声发动机进行了优化设计 ;对回热器内部的功的损失和回热器的热漏损失进行了分析 ;给出了行波热声热机回热器的优化结构 ;对于设计行波型热声发动机有非常重要的理论指导意义。     

可用于热声发电的曲柄连杆式换能器阻抗特性理论研究

热声发电系统具有高效、可靠、结构简单及外燃等独特优势,在煤层气发电、太阳能发电及工业余热利用等领域应用前景广阔。本文针对用于热声发电的曲柄连杆式换能器,建立了物理模型,讨论了活塞质量、转动惯量及电路负载对换能器阻抗特性的影响,表明固定频率、振幅的压力波驱动下,由于曲柄连杆式换能器行程固定,其阻抗幅值不变,而相位角随负载电阻减小而减小,阻抗实部值相应增大。最后根据换能器阻抗特性,简化模拟了采用曲柄连杆式换能器的行波热声发电系统DeltaEC模型,模拟显示在充气压力3.16 MPa、热源温度650℃时,系统可输出约645.4 W电功(热电效率16.6%),表明此换能器用于大功率、低成本热声发电的优势。本研究为曲柄连杆式换能器与大功率热声热机高效匹配的应用提供了理论基础。     

Compact standing wave thermoacoustic generator for power conversion applications

In the past decade, a variety of thermoacoustic engines (TAEs) were devised to convert thermal energy to acoustic power. In this paper, we optimized the design of a standing wave thermoacoustic generator that can provide high intensity acoustic pressure and convert it into electrical power output using a low cost alternator. Three prototypes of standing wave thermoacoustic generator (TAG) were designed to optimize the overall efficiency. The first prototype of standing wave TAG could produce an acoustic pressure of 0.9 kPa (153 dB) with an input thermal power of 210 W. Further, the maximum heat to electrical conversion efficiency was 0.045% with an input thermal power of 250 W. However, the performance of this system was not fully optimized. The performance of TAE depends upon various parameters including stack position, stack length and resonator length. Hence, a new second prototype of tunable TAG was developed to tune these critical parameters in order to improve the overall efficiency. A compact third prototype of TAG was successfully built with optimized parameters and has been tested. In the improved design, high intensity acoustic pressure of 2.9 kPa (163.5 dB) was observed for the same 210 W input thermal power. The maximum heat to electrical energy conversion efficiency was 0.084% with an input of 250 W which is 87% higher as compared to the first prototype. The major reason for the lower conversion efficiency is due to the low efficiency of the alternator. In future, high efficiency alternator designs can be employed along with careful impedance matching to obtain higher conversion efficiencies. The results described in this paper demonstrate the potential of developing compact portable acoustic power and electricity generators for decentralized power applications.     

热声致冷效应演示实验

基于热声致冷原理,利用自制的热声堆,采用常见的材料和仪器,设计了扬声器驱动热声致冷实验演示装置.以空气作工质,在无冷却措施的情况下,系统运行200 s后,实现了13℃的降温及25℃的温跨.     

100W二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器

 报道了一台高效率二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器，采用高效均匀泵浦耦合技术，在峰值功率1.008kW，占空比25％, 电-光效率大于45%的二极管激光阵列泵浦下，用一块1mm厚的Nd:YAG薄片激光介质，获得了峰值功率404W，平均功率101W的准连续激光输出，光-光效率达到40%，电-光效率超过18%。     

双行波热声制冷机耦合方式研究

双行波热声制冷机因为其内禀的高效率、热驱动及无运动部件的优点,非常有潜力成为常规制冷方式的一种替代技术。为了详细地研究它的工作特点,我们发展了一套较完整的热声模拟程序,可以准确地预测系统工作频率,在一定的误差范围内给出系统的热力性能,并对系统起振的难易程度进行有效的判断。借助于此套程序,我们对行波发动机驱动的行波制冷机进行了数值模拟,主要是对它们之间两种不同的耦合方式(旁通耦合和末端耦合)进行了对比,初步实验结果显示了程序的有效性。     

80 K温区的小型行波低温热声制冷机

热声制冷机由于结构简单、无运动部件,具有广阔的应用前景。本文在已有的小型行波热声发动机的基础上,开展了热声制冷的工作。利用线性热声理论对制冷机进行数值模拟,并对制冷机的各热声元件优化。优化后,系统整体装配横向尺寸仅0.5 m,在充气压力3 MPa,发动机输入功率384 W的条件下,达到了80 K的无负载温度。由于本制冷机由行波型热声发动机驱动,并且是通过线性热声理论优化,因此称之为小型行波低温热声制冷机。     

High-Power Modulated Intense Relativistic Electron Sources with Applications to RF Generation and Controlled Thermonuclear Fusion

Recent advances in the physics and technology of the modulated intense relativistic electron beams (IREB's) are reviewed in this paper. Bunched dense electron beams can be used to construct high-power RF sources, which may critically affect future progress in fusion technology. In this paper a system is described in which electrical energy can be converted from a single pulse of relatively long duration into a series of subpulses of short duration (nanosecond and subnanosecond) and of high power (~1010 W). This electrical system consists of an IREB propagating through passive structures. The mutual interaction between the electron beam and one passive structure modifies the IREB so that power compression and beam modulation occur. When the modified IREB interacts with the next passive structure, the kinetic energy of the electrons is converted into electrical energy or RF energy. The beam current modulation depends on the injected IREB and the structure parameters. A 100-percent modulation of the current has been achieved. A single-beam source may be used for exciting radiation in a frequency range of 60 MHz to 10 GHz. In the frequency range of 60-750 MHz a modulated beam with power ~1010 W has already been achieved. IREB modulation at a frequency of ~3 GHz was performed and RF energy was extracted from the bunched beam with power output of 5 × 108 W.     

新型热声谐振机构的理论分析和实验验证

谐振管作为热声发动机的重要组成部分,其长度占整个系统轴向长度的大部分。本文提出了一种利用液体和弹性膜组成谐振系统的方法,并使用这种谐振系统取代谐振管,使系统轴向尺寸减少为原来的1/5。文中利用线性热声理论对该谐振系统的谐振频率进行了计算,并对不同阻尼系数对系统的耗散做出了分析。实验结果表明,在利用驻波热声发动机驱动的情况下,谐振系统自激起振,谐振频率为360 Hz,实际谐振频率与计算值误差在5%以内。     

行波热声发动机驱动制冷机的匹配研究

本文使用RC负载法首先在不同压比下对发动机的输出声功与负载之间的匹配关系进行了深入研究,研究表明发动机存在高效区和效率低下区.针对行波热声制冷机的阻抗进行了分析,发现由于制冷机阻抗处于发动机的效率低下区,使得发动机输出效率很低,从而导致整机效率低下,其中在发动机和制冷机之间的1m长连接管起到了调节负载阻抗和放大声压的作用,但其调节作用有限.