熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)聲學(xué)阻抗匹配機理與匹配性設(shè)計研究

林錦豪

摘? ?要：本文針對熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容進行分析，結(jié)合熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)聲學(xué)阻抗匹配機理，包括匹配方法分析、集總聲學(xué)流源模型構(gòu)建、彈性儲能調(diào)諧應(yīng)用等內(nèi)容，通過研究數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建、最大聲功匹配設(shè)計方法、匹配性Matlab仿真分析等匹配性設(shè)計方案的具體內(nèi)容，目的在于優(yōu)化熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)的運行結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的運行可靠性。

關(guān)鍵詞：熱聲直線發(fā)電系統(tǒng)? 聲學(xué)阻抗匹配機理? 彈性儲能調(diào)諧

中圖分類號：TM 615? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)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(jié)構(gòu)

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(gòu)組成，兩組系統(tǒng)融合在一起便構(gòu)成了整體應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：第一，主冷卻器結(jié)構(gòu)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(nèi)。第二，聲容管道與慣性管道，結(jié)構(gòu)主要用于存儲聲波，同時也負責(zé)緩沖聲波。第三，加熱器結(jié)構(gòu)、回?zé)崞鳌峋彌_結(jié)構(gòu)。三組結(jié)構(gòu)共同組成了加熱結(jié)構(gòu)，為發(fā)電作出準(zhǔn)備。第四，直線電源結(jié)構(gòu)，在發(fā)動機進行聲學(xué)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(xué)阻抗匹配機理分析

2.1 匹配方法分析

從系統(tǒng)的構(gòu)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(shè)計，也依賴于直線發(fā)電機的設(shè)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(jié)構(gòu)和氣體工質(zhì)特性相關(guān)，因此從兩機耦合處聲學(xué)輸出特性出發(fā)，對直線發(fā)電機聲學(xué)阻抗進行合理設(shè)計，也可以實現(xiàn)兩機阻抗匹配。通過對發(fā)電機機械結(jié)構(gòu)及其電負載進行合理設(shè)計與控制，可提高直線發(fā)電機在聲學(xué)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(xué)流源模型構(gòu)建

在集總聲學(xué)流源模型構(gòu)建的過程中，加入了熱聲波動觀點、熱聲網(wǎng)絡(luò)分析方法、熱動力學(xué)思想等觀念，此類內(nèi)容也是開展模型研究的重要依據(jù)。在模型構(gòu)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(jié)構(gòu)與直線發(fā)電機進行關(guān)聯(lián)，找到兩者之間的最優(yōu)化相位耦合結(jié)果，從而提高結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果。在具體的應(yīng)用過程中，可以機械結(jié)構(gòu)零件進行關(guān)聯(lián)，從而調(diào)節(jié)整個結(jié)構(gòu)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(diào)諧應(yīng)用

在熱聲發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成中，直線發(fā)電機屬于重要的運動結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的主要作用是將熱聲發(fā)動機中所存儲的聲功，借助結(jié)構(gòu)驅(qū)動使其可以轉(zhuǎn)換為可以利用的電能。為了提升結(jié)構(gòu)運行的穩(wěn)定性，通常情況下，會對熱聲發(fā)動機結(jié)構(gòu)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(diào)整，使其可以滿足系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的運行需求。此類彈性儲能調(diào)諧結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)阻抗匹配性設(shè)計

3.1 數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

在模型匹配性設(shè)計過程中，為了提升結(jié)構(gòu)本身的適用性，可以在原結(jié)構(gòu)上增加可控聲功捕獲電負載結(jié)構(gòu)，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(shè)計要求。在結(jié)構(gòu)運行使用的過程中，可控聲功捕獲電負載結(jié)構(gòu)可以直接嵌入到發(fā)電機結(jié)構(gòu)當(dāng)中，此時的結(jié)構(gòu)以能量轉(zhuǎn)換器為樞紐，與機械結(jié)構(gòu)組成阻抗，此時可控聲結(jié)構(gòu)也將直接與其他結(jié)構(gòu)進行關(guān)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(shè)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(shè)計時，可以借助公式來計算不同參數(shù)的權(quán)重，根據(jù)權(quán)重計算結(jié)果，來構(gòu)建完善的綜合評價體系，根據(jù)評價體系對相關(guān)內(nèi)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生的阻抗角也隨之發(fā)生變化，若結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)阻抗

如圖三所示，該圖為發(fā)電機聲學(xué)阻抗與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性，由圖中所顯示的內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)，可以滿足匹配性設(shè)計需求。

4? 結(jié)語

綜上所述，電能作為社會經(jīng)濟發(fā)展的主要能源供應(yīng)，在實際發(fā)展過程中，如何提升利用效率也成為企業(yè)關(guān)注的重點話題，熱聲直線發(fā)電系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(xué)阻抗匹配機理與匹配性設(shè)計內(nèi)容，對于提高系統(tǒng)應(yīng)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(xué)，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(xué)，2018.

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