林錦豪

摘? ?要：本文針對熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)組成結構的相關內容進行分析，結合熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)聲學阻抗匹配機理，包括匹配方法分析、集總聲學流源模型構建、彈性儲能調諧應用等內容，通過研究數(shù)學模型的構建、最大聲功匹配設計方法、匹配性Matlab仿真分析等匹配性設計方案的具體內容，目的在于優(yōu)化熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)的運行結構，提高系統(tǒng)的運行可靠性。

關鍵詞：熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)? 聲學阻抗匹配機理? 彈性儲能調諧

中圖分類號：TM 615? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0097-02

1? 熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)的組成結構

熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)主要由熱聲發(fā)動機與直線發(fā)電機機構組成，兩組系統(tǒng)融合在一起便構成了整體應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由以下幾部分構成：第一，主冷卻器結構與次冷卻器，主要輔助熱聲的冷卻，使其保持在合理的聲控范圍內。第二，聲容管道與慣性管道，結構主要用于存儲聲波，同時也負責緩沖聲波。第三，加熱器結構、回熱器、熱緩沖結構。三組結構共同組成了加熱結構，為發(fā)電作出準備。第四，直線電源結構，在發(fā)動機進行聲學處理后，直接將其輸送至直線發(fā)電機，由其進行下一階段的處理。

2? 熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)聲學阻抗匹配機理分析

2.1 匹配方法分析

從系統(tǒng)的構成來看，熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)整機性能的提高不僅依賴于熱聲發(fā)動機的設計，也依賴于直線發(fā)電機的設計[1]。熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)的兩機耦合處聲波壓力與熱聲發(fā)動機的機械結構和氣體工質特性相關，因此從兩機耦合處聲學輸出特性出發(fā)，對直線發(fā)電機聲學阻抗進行合理設計，也可以實現(xiàn)兩機阻抗匹配。通過對發(fā)電機機械結構及其電負載進行合理設計與控制，可提高直線發(fā)電機在聲學流道捕獲聲功的能力，從而提高系統(tǒng)輸出的電功和聲電效率，實現(xiàn)系統(tǒng)能量優(yōu)化運行[2]。

2.2 集總聲學流源模型構建

在集總聲學流源模型構建的過程中，加入了熱聲波動觀點、熱聲網絡分析方法、熱動力學思想等觀念，此類內容也是開展模型研究的重要依據(jù)。在模型構建的過程中，需要明確熱聲發(fā)動機循環(huán)過程的運行原理，將運行原理結構與直線發(fā)電機進行關聯(lián)，找到兩者之間的最優(yōu)化相位耦合結果，從而提高結構的應用效果。在具體的應用過程中，可以機械結構零件進行關聯(lián)，從而調節(jié)整個結構系統(tǒng)的聲場特性，從而提升整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2.3 彈性儲能調諧應用

在熱聲發(fā)電系統(tǒng)結構組成中，直線發(fā)電機屬于重要的運動結構，該結構的主要作用是將熱聲發(fā)動機中所存儲的聲功，借助結構驅動使其可以轉換為可以利用的電能。為了提升結構運行的穩(wěn)定性，通常情況下，會對熱聲發(fā)動機結構進行固定，同時也會將發(fā)電機機械彈簧的彈性示數(shù)進行調整，使其可以滿足系統(tǒng)結構的運行需求。此類彈性儲能調諧結構能夠代替原系統(tǒng)中駐波諧振管進行工作，并且在運行過程中可以保持結構的諧振屬性，從而提升系統(tǒng)的阻抗匹配性。

3? 熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)聲學阻抗匹配性設計

3.1 數(shù)學模型的構建

在模型匹配性設計過程中，為了提升結構本身的適用性，可以在原結構上增加可控聲功捕獲電負載結構，從而使整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)趨于平衡，使其能夠滿足阻抗匹配性設計要求。在結構運行使用的過程中，可控聲功捕獲電負載結構可以直接嵌入到發(fā)電機結構當中，此時的結構以能量轉換器為樞紐，與機械結構組成阻抗，此時可控聲結構也將直接與其他結構進行關聯(lián)，使其可以形成相位耦合阻抗運行模式。

3.2 最大聲功匹配設計方法

在聲功控制過程中，其最大控制率與系統(tǒng)中的各項參數(shù)存在著直接聯(lián)系，如熱聲功率、直線發(fā)電功率、電負載情況、活塞面積、系統(tǒng)阻尼系數(shù)、機械彈簧的彈力系數(shù)、負載電容數(shù)值等。在對最大聲功匹配進行設計時，可以借助公式來計算不同參數(shù)的權重，根據(jù)權重計算結果，來構建完善的綜合評價體系，根據(jù)評價體系對相關內容進行評價，從而有效提升系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

3.3 匹配性Matlab仿真分析

3.3.1 負載電阻抗分析

在結構彈力系數(shù)不變的情況下，負載電阻抗出現(xiàn)變化時，系統(tǒng)本身所產生的阻抗角也隨之發(fā)生變化，若結構所連接的負載電阻值為10Ω時，在負載電容為12μF時，系統(tǒng)的耦合角度趨近于零，即此時可以捕獲的聲功數(shù)值最高，系統(tǒng)的運行效率最大。若結構所連接的負載電阻值為50Ω時，系統(tǒng)在負載電容為17μF時達到最小值，但是無法接近于零，負載電阻為200Ω時，耦合角度的變化量不大，一直處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。若在此類情況下想要提升捕獲聲功，需要通過改變彈性系數(shù)的方式進行。

3.3.2 發(fā)電機聲學阻抗

如圖三所示，該圖為發(fā)電機聲學阻抗與結構之間的關聯(lián)性，由圖中所顯示的內容可得，在負載電阻值保持不變時，彈性剛度的增加會提升結構的聲功捕獲率，在達到某一臨界值之后，聲功又會逐漸降低。而最佳的彈性剛度數(shù)值在300kN/m左右，而最佳負載電阻值在10Ω左右，表明該狀態(tài)即為整體結構的平衡狀態(tài)，可以滿足匹配性設計需求。

4? 結語

綜上所述，電能作為社會經濟發(fā)展的主要能源供應，在實際發(fā)展過程中，如何提升利用效率也成為企業(yè)關注的重點話題，熱聲直線發(fā)電系系統(tǒng)結構的應用，能夠有效提升單次的利用效率，具有非常大的發(fā)展?jié)摿?。通過研究系統(tǒng)聲學阻抗匹配機理與匹配性設計內容，對于提高系統(tǒng)應用穩(wěn)定性有著積極的意義。

參考文獻

[1] 高曉曦.熱聲直線電機起振及發(fā)電控制策略的研究[D].沈陽工業(yè)大學，2018.

[2] 李文瑞.橫向磁通永磁直線熱聲發(fā)電機空間磁場計算及特性分析[D].沈陽工業(yè)大學，2018.

[3] 何新.熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)聲學阻抗匹配機理與匹配性設計研究[D].沈陽工業(yè)大學，2016.