基于热声效应和正逆电卡效应的冷热电联供系统的制作方法

本发明涉及冷热电联供系统技术领域，尤其涉及一种基于热声效应和正逆电卡效应的冷热电联供系统。

背景技术：

传统的冷热电联供系统(combinedcoolingheatingandpower，简称cchp)是一种以天然气为一次能源，依靠小型燃气轮机、燃气内燃机、微燃机等设备将天然气燃烧后获得的高温烟气首先用于发电，然后利用余热进行供暖或者提供生活用热水并驱动蒸汽压缩式制冷机或者吸收式制冷机供冷的一种联产联供系统，其一次能源利用率可以提高到80％以上，其具有节能高效的优点。目前冷热电联供系统工作的方式主要有以下两种：1)采用燃气机(包括内燃机、燃气轮机等)和余热吸收式制冷机相结合的方式，天然气作为燃料被送入燃气轮机燃烧发电后，高温排气进入余热吸收式制冷机，夏季供冷、冬季供热，根据冷负荷、热负荷的需要可补燃天然气；2)采用燃气机(包括内燃机、燃气轮机)、余热锅炉、蒸汽吸收式制冷、电制冷机和燃气锅炉的方式：天然气被送入燃气轮机燃烧发电后，高温排气送入余热锅炉制取蒸汽，蒸汽经分汽缸至蒸汽溴化锂吸收式制冷机；冬季蒸汽经分汽缸至换热器制取热水供热。根据建筑群夏季的冷负荷需要，不足冷量由电动压缩制冷机提供；冬季不足热量由热泵和燃气锅炉提供。

现有的冷热电联供系统存在需要利用天然气燃烧来提供足够高品位的热源，系统庞大复杂，易受空间制约，难以小型化、家庭化、紧凑化的问题；并且系统存在运动部件，存在磨损，需要定时检修；系统内部工质/制冷机对环境有危害等问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于热声效应和正逆电卡效应的冷热电联供系统，包括热声发动机子系统、热释电发电机子系统和电卡制冷机子系统；

所述热释电发电机子系统与所述电卡制冷机子系统通过导线相连；或者，

所述热声发动机子系统和所述热释电发电机子系统相耦合形成热释电发电发动机，所述热释电发电发动机和所述电卡制冷机子系统通过导线相连，所述热释电发电发动机包括相连的热释电发电发动机室温换热器、热释电体回热器和热释电发电发动机高温换热器，所述热释电发电发动机高温换热器用于将系统外部热源产生的热量输入到系统中，所述热释电体回热器包括热释电材料制成的多孔结构，所述热释电体回热器用于将热能转换为声能以及将热能转换为电能。

在一个实施例中，所述基于热声效应和正逆电卡效应的冷热电联供系统还包括并联于所述热声发动机子系统两端的声功反馈通道，所述声功反馈通道用于将部分的所述热声发动机子系统产生的声功输送回所述热声发动机子系统。

在一个实施例中，所述热声发动机子系统、所述热释电发电机子系统和所述电卡制冷机子系统通过管路相连，所述管路内设有传热工质。

在一个实施例中，所述传热工质包括设于所述热释电发电机子系统和所述电卡制冷机子系统的液体工质和设于所述热声发动机子系统的气体工质，所述热声发动机子系统的安装位置高于所述热释电发电机子系统和所述电卡制冷机子系统的安装位置。

在一个实施例中，所述电卡制冷机子系统包括电卡制冷机子系统室温换热器、电卡回热器和低温换热器；所述电卡回热器包括多孔结构，所述多孔结构包括多种填充材料，每种所述填充材料根据其极化状态转变温度的不同以不同的位置和厚度堆叠。

在一个实施例中，所述热声发动机子系统、所述热释电发电机子系统和所述电卡制冷机子系统串接形成回路。

在一个实施例中，所述热声发动机子系统包括依次相连的热声发动机子系统高温换热器、回热器和热声发动机子系统室温换热器；所述电卡制冷机子系统包括依次相连的电卡制冷机子系统室温换热器、电卡回热器和低温换热器，所述热释电发电机子系统包括依次相连的热释电发电机子系统室温换热器、热释电体回热器和热释电发电机子系统高温换热器；所述热声发动机子系统室温换热器和所述热释电发电机子系统室温换热器与室温储热装置相连接；所述热声发动机子系统高温换热器和所述热释电发电机子系统高温换热器所述与高温储热装置相连接；所述低温换热器与低温储热装置相连接；所述热释电发电机子系统和所述电卡制冷机子系统与外界负载/储电装置相连。

在一个实施例中，所述基于热声效应和正逆电卡效应的冷热电联供系统还包括并联于所述热释电发电发动机两端的声功反馈通道，所述声功反馈通道用于将部分的热释电发电发动机产生的声功输送回所述热释电发电发动机子系统。

在一个实施例中，所述热释电体回热器包括多孔结构，所述多孔结构包括多种填充材料，每种所述填充材料根据其极化状态转变温度的不同以不同的位置和厚度堆叠。

在一个实施例中，所述电卡制冷机子系统包括依次相连的电卡制冷机子系统室温换热器、电卡回热器和低温换热器；所述热释电发电发动机室温换热器与室温储热装置相连接；所述热释电发电发动机高温换热器与高温储热装置相连接；所述低温换热器与低温储热装置相连接；所述热释电发电发动机和所述电卡制冷机子系统与外界负载/储电装置相连。

本发明的有益效果是：本发明实施例的基于热声效应和正逆电卡效应的冷热电联供系统无运动的机械部件、系统无磨损、长寿命、静音、环保，同时提高了稳定性和可靠性，不受空间限制、结构紧凑；充分发挥了热声发动机子系统可以利用废热、太阳能、生物质能等各种品位热源的特性，并对开展绿色节能，减少温室效应具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明的第一个实施例的结构示意图。

图2是本发明的第二个实施例的结构示意图。

图3是本发明的第三个实施例的结构示意图。

图4是本发明的第四个实施例的结构示意图。

图5是本发明的第五个实施例的结构示意图。

图6是本发明的第六个实施例的结构示意图。

图7是本发明的第七个实施例的结构示意图。

附图标记说明：1、热释电发电发动机高温换热器；2、回热器；3、热释电发电发动机室温换热器；4、热缓冲管；5、电卡制冷机子系统室温换热器；6、电卡回热器；7、低温换热器；8、电场；9、热释电发电机子系统室温换热器；10、热释电体回热器；11、热释电发电机子系统高温换热器；12、外界负载/储电装置；13、室温储热装置；14、次级换热器；15、液体工质；16、高温储热装置；17、低温储热装置；18、热声发动机子系统高温换热器；19、热声发动机子系统室温换热器；20、调相谐振管。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

热声热机是利用热声效应，将热能转化为声波形式的机械能的热功转换装置，具有能源适应性好、可靠性高等优点。广义的热声发动机不仅包括传统的驻波、行波、双作用热声发动机，还包括斯特林发动机等结构形式。它的核心部件主要由加热器、回热器、水冷器组成，辅助部件通常还可以包括热缓冲管、次水冷器、排出器等。在热声发动机中，只要存在高温热源，回热器轴向的温度梯度达到一定值，系统就会自激振荡，即系统自发地将高温热源的热量一部分转化为声波形式的机械能，一部分通过低温部件传递给环境。热释电效应，是电卡效应的逆效应，故又称逆电卡效应。热释电效应是晶体的一种自然物理效应，是指当晶体受热或冷却后，由于温度的变化而导致自发式极化强度变化，从而在晶体某一方向产生表面极化电荷的现象。电卡制冷利用的是铁电材料的电卡效应，即利用极性材料中因外电场的改变从而导致极化状态发生改变而产生的绝热温度或等温熵的变化的效应来进行制冷。

图1为一实施例的基于热声效应和正逆电卡效应的冷热电联供系统的结构示意图，该系统为驻波型；其包括热声发动机子系统、热释电发电机子系统和电卡制冷机子系统；热释电发电机子系统与电卡制冷机子系统通过导线相连。具体地，热声发动机子系统包括依次相连的热声发动机子系统高温换热器18、回热器2和热声发动机子系统室温换热器19；电卡制冷机子系统包括依次相连的电卡制冷机子系统室温换热器5、电卡回热器6和低温换热器7，热释电发电机子系统包括依次相连的热释电发电机子系统室温换热器9、热释电体回热器10和热释电发电机子系统高温换热器11。在图1的实施例中，热声发动机子系统室温换热器19通过调相谐振管20与热声发动机子系统室温换热器9相连接，热释电发电机子系统高温换热器11通过热缓冲管4与电卡制冷机子系统室温换热器5相连。当该冷热电联供系统工作时，由热声发动机子系统高温换热器18向该冷热电联供系统内输入热量(此热量可以来自天然气燃烧、太阳能、生物质燃烧、工业废热等)，当回热器2(回热器2为常规多孔结构的回热器，可以具有丝网结构、丝绵结构或不锈钢小球等)的两侧温差形成的轴向温度梯度达到一定值，便可自激振荡，由热声发动机子系统高温换热器18、回热器2和热声发动机子系统室温换热器19组成的热声发动机子系统便可将热量在回热器2中转换成往复运动的声功形式机械能，从而实现热功转换过程。热声发动机子系统内的流体工质以一定的频率做往复运动，可以替代传统的机械泵的作用。当热声发动机子系统产生往复运动的声功形式机械能后，声功先通过热释电发电机子系统。由于使用了热释电材料作为热释电体回热器10的多孔结构的材料，其自身在绝热状态下会发生热释电效应，即逆电卡效应，产生一定频率的电场8，从而实现热-电转换过程。电场8(图中e为电场符号)产生的电能一部分通过导线传递到外界负载/储电装置12中；另一部分经由导线传递到电卡制冷机子系统室温换热器5、电卡回热器6和低温换热器7共同组成的电卡制冷机子系统中。与常规热声制冷机不同的是，电卡制冷机子系统的电卡回热器6内部的多孔材料为具有电卡效应的铁电材料。当热声发动机子系统中的热声发动机产生声功形式的机械能推动工质气体在回热器2中进行特定频率的高速往复运动时，电卡回热器6中由于电卡回热器6工作时可理解为无数个微小的等温-绝热过程，因此可通过改变系统的尺寸结构与充气压力相结合来改变系统工作的频率，从而在电场8的作用下，利用铁电材料的电卡效应将低温端的热量输送到室温端，从而实现制冷和供热的功能。在该冷热电联供系统中，由于热声发动机子系统可以产生往复运动的声功形式机械能，因此热声发动机子系统、热释电发电机子系统、电卡制冷机子系统的位置可以互换，三者的位置并不固定；热声发动机子系统与热释电发电机子系统相连或/和电卡制冷机子系统相连；热声发动机子系统、热释电发电机子系统或电卡制冷机子系统的数量也可灵活设置，均可以多于一个。该冷热电联供系统可以灵活地布置，不受外界场地空间的限制，可以由多个图1所示的结构串/并接而成。

具体地，电卡制冷机子系统的电卡回热器6和热释电发电机的热释电体回热器10的包括由一种或多种填充材料填充的多孔结构；每种填充材料根据其极化状态转变温度不同以不同的位置和厚度堆叠。也就是说，按照转变温度的不同分层填充，每层的厚度根据填充材料的性质来确定，最终堆叠在一起构成回热器的内部填充物。

图2为一实施例的基于热声效应和正逆电卡效应的冷热电联供系统的结构示意图，该系统为驻波型，其包括热声发动机子系统、热释电发电机子系统和电卡制冷机子系统；热声发动机子系统和热释电发电机子系统相耦合形成热释电发电发动机，热释电发电发动机和电卡制冷机子系统通过导线相连，热释电发电发动机包括相连的热释电发电发动机室温换热器3、热释电体回热器10和热释电发电发动机高温换热器1，热释电发电发动机高温换热器1用于吸收系统外的热源产生的热量，热释电体回热器10包括热释电材料制成的多孔结构，热释电体回热器10用于将热能转换为声能以及将热能转换为电能。在图2的实施例中，热释电发电发动机室温换热器3和电卡制冷机子系统室温换热器5通过调相谐振管20相连接。该实施例的基于热声效应和正逆电卡效应的冷热电联供系统将热释电体回热器10直接取代传统的热声发动机中内部的常规的回热器2，从而形成基于热声效应和热释电效应的热释电发电发动机；当热释电体回热器10两侧温差形成的轴向温度梯度达到一定值时，基于热声效应该系统便可自激振荡，此时由热释电材料的回热器组成的热释电发电发动机起到往复运动的机械泵的作用，可驱动系统工质作一定频率的往复运动；同时，又由于热释电体自身的热释电效应，热释电体回热器10将会产生具有一定频率可以驱动电卡效应的电场8，进而带动电卡制冷机工作，该系统更加紧凑。需要强调的是，该实施例只提供了最简单的一种结构形式，热释电发电发动机和电卡制冷机子系统的安装位置并不固定，可以互换；热释电发电发动机和电卡制冷机子系统的数量也可灵活设置，均可以多于一个。该冷热电联供系统可以由多个如图2所示的结构串接/并接而成。

具体地，热释电发电发动机的热释电体回热器10可以包括由一种或多种填充材料填充的多孔结构，每种填充材料根据其极化状态转变温度不同以不同的位置和厚度堆叠。也就是说，按照转变温度的不同分层填充，每层的厚度根据填充材料的性质来确定，最终堆叠在一起构成回热器内部填充物。

该基于热声效应和正逆电卡效应的冷热电联供系统，无运动的机械部件、无磨损、长寿命、静音、环保，同时提高了稳定性和可靠性，不受空间限制、结构紧凑；充分发挥了热声发动机子系统可以利用废热、太阳能、生物质能等各种品位热源的特性，并对开展绿色节能，减少温室效应具有重要的意义。

如图3所示，在一个实施例中基于热声效应和正逆电卡效应的冷热电联供系统还可以包括并联于热声发动机子系统两端的声功反馈通道，声功反馈通道用于将部分的热声发动机子系统产生的声功输送回热声发动机子系统。该实施例中的系统为行波型，并且其所产生声功的效率更高；热声发动机产生的声功一部分经由热缓冲管4、次级换热器14传递到电卡制冷机子系统中，另一部分沿着流道回到热声发动机子系统的回热器2重新被放大，周而复始。具体地，声功反馈通道为调相谐振管20。

如图6所示，在一个实施例中，热声发动机子系统、热释电发电机子系统和电卡制冷机子系统通过管路相连，管路内设有传热工质。该结构将热声发动机子系统、热释电发电机子系统以及电卡制冷机子系统串接于同一环路中，在此环路中传热工质可以全部为气体，也可以为气体和液体共存的形式。

如图6所示，当传热工质为气体和液体共存的形式时，热声发动机子系统的安装位置高于热释电发电机子系统和电卡制冷机子系统的安装位置。具体地，热声发动机的工作介质为惰性气体，热释电发电机和电卡制冷机均处于液体介质中，此处的液体介质可以为水、盐溶液、导热油以及液态金属等。当热声发动机子系统的回热器2两侧温差形成的轴向温度梯度达到一定值时，系统产生自激振荡。热声发动机通过气体活塞推动液体以一定的频率作往复运动，此时热声发动机作为液体泵，驱动液体从热释电发电机和电卡制冷机的回热器2中换热，进而实现热能驱动热释电发电和热能驱动电卡制冷的冷热电三联供功能。需要强调的是，该结构也可同时串接多个子结构，从而实现多级冷热电三联供，在该结构中，热声发动机子系统的安装位置处于上部气体腔室中；热释电发电机子系统和电卡制冷机子系统均处于下部气体或液体腔室中，热释电发电机子系统和电卡制冷机子系统的位置和个数不固定，可互换。

如图7所示，在一个实施例中，该冷热电联供系统采用了u型结构，将热声发动机、热释电发电机以及电卡制冷机串接于管路中，当传热工质为气体和液体共存的形式时，热声发动机的工作介质为惰性气体，热释电发电机和电卡制冷机均处于液体介质中，此处的液体介质可以为水、盐溶液、导热油以及液态金属等。当热声发动机子系统的回热器2两侧温差形成的轴向温度梯度达到一定值时，系统产生自激振荡。热声发动机通过气体活塞推动液体以一定的频率作往复运动，此时热声发动机作为液体泵，驱动液体从热释电发电机和电卡制冷机的回热器2中换热，进而实现热能驱动热释电发电和热能驱动电卡制冷的功能，最终形成冷热电三联供系统。需要强调的是，该结构也可同时串接多个子结构，从而实现多级冷热电三联供；热声发动机子系统的安装位置处于上部气体腔室中；热释电发电机子系统和电卡制冷机子系统均处于下部气体或液体腔室中，热释电发电机子系统和电卡制冷机子系统的位置和个数不固定，可互换。

如图1所示，在一个实施例中，热声发动机子系统、热释电发电机子系统和电卡制冷机子系统通过调相谐振管20和/或热缓冲管4相联结。

如图1所示，在一个实施例中，热声发动机子系统包括依次相连的热声发动机子系统高温换热器18、回热器2和热声发动机子系统室温换热器19；电卡制冷机子系统包括依次相连的电卡制冷机子系统室温换热器5、电卡回热器6和低温换热器7，热释电发电机子系统包括依次相连的热释电发电机子系统室温换热器9、热释电体回热器10和热释电发电机子系统高温换热器11；热声发动机子系统室温换热器19和热释电发电机子系统室温换热器9与室温储热装置13相连接；热声发动机子系统高温换热器18和热释电发电机子系统高温换热器11与高温储热装置16相连接；低温换热器7与低温储热装置17相连接；热释电发电机子系统和电卡制冷机子系统分别与外界负载/储电装置12相连。这样，外界传热工质从热声发动机子系统室温换热器19和热释电发电机子系统室温换热器9带走的热量可以流入室温储热装置13中储存起来，热声发动机子系统高温换热器18和热释电发电机子系统高温换热器11中输出的剩余热量可以在高温储热装置16中储存起来，低温换热器7所获得的冷量可在低温储热装置17中进行储存；不同品位的热量进行不相同的储存，最终做到能量的最大化利用。

具体地，每个该冷热电联供系统可以有一个或多个外界负载/储电装置12。

如图5所示，在一个实施例中，多个热声发动机子系统、多个热释电发电机子系统和多个电卡制冷机子系统通过调相谐振管20串接形成回路。在图5中，只绘制了一组室温储热装置13、高温储热装置16和低温储热装置17，以及一个外界负载/储电装置12；实际上，每个热声发动机子系统高温换热器18和热释电发电机子系统高温换热器11均可以与一个高温储热装置16相连接；每个热声发动机子系统室温换热器19和热释电发电机子系统室温换热器9均可以与一个室温储热装置13相连接；每个低温换热器7均可以与一个低温储热装置17相连接；每个热释电发电机子系统均可以与一个电卡制冷机子系统外界负载/储电装置12相连接。

如图4所示，在一个实施例中，还包括并联于热释电发电发动机两端的声功反馈通道，声功反馈通道用于将部分的热释电发电发动机产生的声功输送回热释电发电发动机子系统。基于热声效应和热释电效应，由热释电发电发动机高温换热器1，热释电体回热器10和热释电发电发动机室温换热器3组成的热释电发电发动机即可充当热声发动机使用，同时还可以产生一定频率的电场8，驱动电卡制冷机子系统工作，构成行波型的热释电发电发动机子系统。具体地，声功反馈通道为调相谐振管20。

在一个实施例中，热释电发电发动机、电卡制冷机子系统通过热缓冲管4相联结。热缓冲管4的作用是使得热释电材料可以处于适宜的材料转变温区，同时还可起着一定的调相的作用。

在一个实施例中，热释电发电发动机包括相连的热释电发电发动机室温换热器3、热释电体回热器10和热释电发电发动机高温换热器1；电卡制冷机子系统包括依次相连的电卡制冷机子系统室温换热器5、电卡回热器6和低温换热器7；热释电发电发动机室温换热器3与室温储热装置13相连接；热释电发电发动机高温换热器1与高温储热装置16相连接；低温换热器7与低温储热装置17相连接；热释电发电发动机和电卡制冷机子系统分别与外界负载/储电装置12相连。这样，外界传热工质从热释电发电发动机室温换热器3中带走的热量可以流入室温储热装置13中储存起来，热释电发电发动机高温换热器1输出的剩余热量可以在高温储热装置16中储存起来，低温换热器7所获得的冷量可在低温储热装置17中进行储存；不同品位的热量进行不相同的储存，最终做到能量的最大化利用。

具体地，每个该冷热电联供系统可以有一个或多个外界负载/储电装置12。

在一个实施例中，该冷热电联供系统的内部的工质为氦气、氢气、氮气等，具有绿色无毒的特性。

虽然上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。