热声发电蓄电池系统最大充电功率捕获策略

目的研究行波热声发电蓄电池系统(TWTEGB)的组成结构,探索提高行波热声发电系统(TWTAEG)输出电功率稳定性和TWTEGB充电功率捕获能力的技术方法.方法根据热动力学原理,电磁感应定律和基尔霍夫定律建立了TWTEGB最大充电功率捕获控制系统模型,设计了采用Buck-Boost变换器对TWTAEG输入到蓄电池的充电电压进行斩波控制方式,实现TWTEGB最大充电功率捕获控制策略的MOSEFT开通与关断的切换方法.结果结合TWTAEG的运动学及输出电特性设计了AC/DC变换器开关管MOSEFT最优开通与关断的切换时间,利用脉冲宽度调制技术对TWTAEG输出电压进行控制,将TWTAEG输出的交变电能储存进蓄电池提高TWTEGB充电功率捕获能力.利用灶台余热TWTAEG数据进行仿真,TWTEGB捕获充电功率的能力比现有直接充电方式提高了26.6%.结论采用考虑TWTEGB运动特性和输出电特性设计的Buck-Boost变换器结构及其MOSEFT开通与关断的切换方法,不仅能提高蓄电池子系统从TWTEGB中捕获充电功率的能力,而且还可以提高TWTAEG输出电功率的能力及稳定性.

行波热声发电系统的谐振特性研究

热声发电机具有高效率、高可靠性且可利用低品位热能等突出优点,可望在太阳能发电和低品位热能回收等领域获得广泛应用。文中基于线性热声理论和直线发电机的简化模型对行波热声发电系统的输出性能进行了理论分析和计算,重点分析了机械谐振和电路谐振对于输出电功和效率的影响。设计并搭建了一个由行波热声发动机和单台直线发电机组成的热声发电系统。理论和实验均表明,机械谐振和电路谐振是行波热声发电系统获得良好性能的2个关键因素。以2.1 MPa的氦气为工质,通过优化机械和电路阻抗使得系统达到谐振状态,该系统最终获得了191.1 W的电功和7.15%的热电效率。

热声发电系统最大电能输出阻抗匹配及机械谐振特性分析

为获得热声发电系统最大电能输出和声功捕获,该文以横向磁通永磁直线发电机为例,采用力–电类比法建立热声发电系统等效模型,研究电磁力、次级速度与阻抗之间的关系,推导热声发电系统等效阻尼的表达式,并分析电抗对等效阻尼的影响。在此基础上,基于最大电能输出进行阻抗匹配,并采用相量法分析阻抗匹配对机械谐振条件的影响,推导出谐振弹簧劲度系数表达式。最后,通过直线振荡系统实验平台验证阻抗匹配及弹簧谐振劲度系数理论推导的准确性,为热声发电系统直线发电机的设计提供理论指导。

热声发电系统最大声电效率阻抗匹配分析

为提高热声发电系统的声电转换效率,根据相似理论,结合声学阻抗流源机理进行分析,提出一种永磁直线发电机弹簧机械阻抗和负载电阻抗的声学阻抗匹配设计方法。该方法以提高捕获声功为约束条件,实现声电转换效率最大。进一步地,在弹簧机械阻抗和负载容抗声学阻抗匹配时,给出发电机成为热声发动机声学阻性负载、声学感性负载和声学容性负载的阈值规律。最后搭建实验平台,通过建模、求解及分析设计,验证了发电机声学阻抗匹配方法的有效性,为热声发电系统(TAEGS)的设计提供理论依据。

热声发电系统双功率优化运行阻抗匹配分析

为获得圆环体拓扑结构的热声发电系统最大电功输出,提出带有可变电负载的动磁式直线发电机声学阻抗匹配设计方法。通过声力电类比方法建立系统捕获声功和输出电功的数学模型。结合热声发动机机械结构和气体工作介质特征,分析弹簧机械阻抗和电负载阻抗对系统声学阻抗的影响,给出双功率优化运行的发电机声学阻抗匹配设计方法。该方法以提高声功捕获为约束条件,实现热声发电系统输出电功最大。用MATLAB程序和热声发电系统模拟实验平台验证双功率优化运行阻抗匹配方法。双功率优化运行的发电机声学阻抗匹配设计方法简单易行,为热声发电系统控制器的设计提供理论指导。

热声发电系统自主协同起振控制策略

以热声发电系统(TAEGS)为应用背景,为了降低系统起振温度、缩短系统起振的时间,提出一种控制热声发电机电动运行将系统牵入谐振的自主协同起振综合控制策略,该控制策略以系统机械谐振时次级位移和初级电流相位差为90°作为频率跟踪控制的判定依据,通过采样次级位移和初级电流信号,经过改进二阶广义积分控制器输出相应的正交信号进行锁频,经过Park变换将交流信号变为直流信号,实现信号的无静差跟踪控制,进而使热声发电系统运行频率快速跟踪谐振频率。仿真分析和实验验证结果表明,所提出的起振控制策略既能使热声发电系统运行频率快速跟踪谐振频率,提高系统输出功率;又可改进二阶广义积分控制器,有效滤除检测信号的采样噪声和高频干扰,提高控制器的稳定性。

热声发电系统最大声功捕获特性分析

为了使热声发电系统实现最大声功捕获,提出一种基于热声发电系统声学阻抗设计方法,通过选择合适弹簧刚度系数和谐振电容参数使热声发电系统声学阻抗匹配捕获声功最大.根据相似定理和热声发电系统声学阻抗流源机理,采用类电路相量法建立声功捕获模型,推导声功函数与各元件参数关系.以直线发电机安全运行为约束条件,推导出直线发电机弹簧刚度系数和谐振电容设计表达式,通过数值计算和实验验证了优化设计方法的合理性.

行波热声发电系统自激振荡的非线性动力学研究

利用非线性热声网络模型建立了一种行波热声发电系统的简化动力学演化方程,考察了系统自激振荡过程。重点探究非线性热声效应的影响,并与仅考虑线性热声效应的情况进行对比。结果表明,当仅考虑线性热声效应时,振荡曲线不断增大,无法达到稳定值;而考虑非线性热声效应时,自激振荡最后达到稳定幅值。进一步研究得出,系统电机的非线性阻尼系数越大,系统稳定后的振荡幅值越小。对不同电机非线性阻尼系数时系统产生的振荡曲线作频谱分析,计算结果和实际情况相近。最后考察了回热器未达临界温度梯度时系统的自激振荡过程。

不同工作气体的双作用热声发电机的热力性能研究

对一台三缸的双作用热声发电机进行了数值模拟,考察了不同工作介质下系统的热力性能。考察的气体工作介质包括氮气、二氧化碳、氩气、不同组分的氦氩混合气以及氢气。模拟计算表明,系统的热力性能与工质密切相关。采用氢气作为工作介质时,该热声发电机获得的电功最大,三个电机获得总电功最大可达5 145 W,此时系统的热电效率为22.8%。

热声发电系统蓄电池负载的最大功率控制策略

热声发电系统具有热转换效率高、运行可靠、污染少等优点。若将直线发电机发出的电能直接存储到蓄电池中,只有高于其端电压时才会工作,转换效率较低。为了使蓄电池负载获得最大功率,从而提高热声发电系统的运行效率,本文采用buck-boost变换电路对发电机输出的电压进行变换。通过对其动态方程的分析,得出了断流模式下蓄电池负载的最大功率控制策略。仿真结果表明,与直接充电方式相比,所采用的控制策略使蓄电池负载获得的功率提高了一倍以上。

太阳能热声发电技术研究进展

基于太阳能等清洁可再生能源的发电技术是解决当前能源与环境问题的有效途径之一。太阳能发电包括光热发电技术与光伏发电技术,两者各具优势,可分别满足不同场合的应用需求。热声发电技术是一种新型热发电技术,具有可靠性好、效率高、环境友好等优点。同时,还具有功率灵活的特点,既可以单台小功率工作,又可以多台联合实现大功率工作,非常适合太阳能利用。文中在回顾现有光热发电技术的基础上,介绍行波热声发动机与发电技术的发展历程,同时也介绍了太阳能热声发电方面的应用探索,认为行波热声发电技术将会成为未来太阳能光热发电的一项新技术。

用于热声发电的曲柄连杆式换能器工作特性

针对热声发电系统的曲柄连杆式换能器建立数学物理模型,研究不同活塞质量、转动惯量、压力振幅及负载电阻对换能器工作特性的影响规律.结果表明:由于行程固定,曲柄连杆式换能器阻抗幅值由压力振幅、频率、活塞行程及面积确定,相位角由负载电阻与输入压力振幅共同决定.当输入振幅0.2 MPa、频率65 Hz的压力波,负载电阻为110Ω时,换能器的阻抗实部为1.244×107 Pa·s/m3,虚部为-1.209×107 Pa·s/m3,可输出电功为680.1 W,声电效率约为82.2%.

太阳能热声发电系统热电转换性能仿真研究

太阳能驱动的热声发电系统是一种具有广泛应用价值的新型发电系统。本文提出的太阳能热声发电系统以高倍环形菲涅尔聚光器对太阳能进行集热,然后采用行波热声发电系统进一步将太阳能热量转换为电能。该系统采用光学软件Lighttools对新型太阳能驱动的环形菲涅尔聚光器进行光学仿真,计算出聚光器的集热功率,并将集热功率的计算结果与热声模拟软件DeltaEC相结合,对太阳能热声发电系统热电转换性能进行了仿真研究。研究结果证明,所提出的太阳能热声发电系统可行,并为后续的实验研究提供了理论依据。

基于脉宽调制技术的热声发电蓄电池储能系统数学模型研究

热声发电技术已广泛应用于低品质热源发电,确保热声发电蓄电池储能系统最大电功捕获,是现阶段一项极为重要的研究。为此,本文主要基于脉宽调制原理建立一种热声发电蓄电池储能系统电力模型,并针对热声发电系统的两种拓扑结构简要提出相对应的最大电功捕获策略。

高温热管耦合热声发电机运行特性试验研究

高可靠性与高能量密度的动力推进电源是空间与海洋探索载体的核心关键部件。该文针对高温热管耦合动态热电转换装置开展了高温钠热管集成热声发电机运行特性的试验研究,实现了热电能量的传递与转换,掌握了高温热管与热声发电机耦合启动的关键技术,在稳态运行工况下获得了不同输入功率的热管-热声发电机系统耦合运行特性。随着输入功率的提升,热声发电机的输出电参数变大,热电转化效率从16.60%提升至19.00%。在长期运行测试中,在输入功率为1 900 W条件下,输出功率约360 W,热电转换效率约19.00%,热管与热声发电机耦合系统性能稳定。在极限运行测试中,输入功率为2 300 W时,输出功率为463 W,热电转换效率为20.13%。该研究验证了热管反应堆与热声发电机耦合集成能量转换原理的可行性,可为后续开展基于热管堆的空间和海洋载体核动力原型设计提供试验数据支撑。

百瓦级热声斯特林发电系统输出特性研究

热声发电技术在太阳能、工业废热等低品位热能利用方面具有广阔的应用前景。该文从电–力–声类比的角度对直线发电机的控制方程进行了理论分析,并借助线性热声理论对热声斯特林发电系统进行了模拟计算,分析了外接负载、电路谐振和四通处压力振幅对热声发电系统输出特性的影响。理论计算表明通过降低发电机电路的虚部阻抗,调节直线发电机的声阻抗,可以大大改善热声发电系统的输出特性。设计并搭建了热声斯特林发电实验台,实验证明在发电机电路中串入电容器降低虚部阻抗后,系统的输出电功从122.9W增加至150.6W,同时热电效率从5.3%提高到7.8%。

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。初步实验以氮气为工质,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.

400W行波热声发电系统的实验研究

本文阐述了为太阳能发电系统设计的400W行波热声发电系统(TWTAEG)的实验研究过程。实验系统由行波热声发动机和直线发电机组成,系统采用平均压力为3.5MPa的氦-氩混合气体为工质,其中氩气分压比为1.4%,系统运行频率为74Hz。实验中最大输出电功为446W,此时的热电效率为13%;在输出电功为416W时热电效率最大,达到14.3%;发动机的最大输出声功为835W,发动机的热声转换效率最大值为22.2%;电机的最大声电转换效率为65%。

双作用热声发电机中电机参数不一致性的解决方案

对于多缸双作用热声发电机,当各单元结构完全一致时,各单元的工作状态也是相同的。但仅有一个电机的单个参数发生改变时,各单元的工作状态均会受到影响,且呈现出明显的不一致性,各单元间还会出现复杂的耦合影响。本文从理论上分析了电机参数不一致时,可以通过调整本单元电机的外接电阻和电感的方法来抑制电机不一致性对其它单元的影响,将不一致性的影响降到最低。并对一台三缸双作用热声发电机进行了数值模拟,验证了该方法的有效性。

新型横向磁通热声直线发电机定位力研究

为了实现直线发电机与热声发动机的匹配,使系统运行在谐振状态,以提高热声系统的输出电功,提出一种新型的横向磁通直线发电机结构。通过理论分析得到了该电机的定位力与动子位移的关系,同时分析了气隙宽度、永磁体厚度和永磁体轴向长度等电机结构参数对定位力的影响。有限元仿真和实验验证了理论分析的正确性。