CN101282074B - 热声液态磁流体交流发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热声液态磁流体交流发电系统，它包括热声发动机和液态磁流体交流发电机，所述热声发动机的谐振管耦合在所述液态磁流体交流发电机的、用于容纳液态磁流体的管道的一个开口端上，该管道放置在磁场中，使得液态磁流体在管道中流动时切割磁力线产生电能，该管道包括输出电极用于输出产生的电能，其特征是，所述热声发动机的工质为气体工质。本发明降低了现有发电系统的制作难度及成本，且工作频率较为适合、效率较高。

Description

热声液态磁流体交流发电系统

技术领域

本发明涉及液态磁流体发电系统，特别是涉及用热声发动机驱动的液态磁流体交流发电系统。

背景技术

热声发动机具有能源适应性好、无运动部件、可靠性高等优点。利用热声发动机可高效地将各种形式、各种品位的热源包括太阳能、地热及工业余热等转换成机械功(声功)。热声发动机驱动的磁流体交流发电系统是利用热声发动机产生的压力波动来推动液态磁流体在磁场中运动，液态磁流体切割磁力线或通过磁流体的运动来改变线圈磁通量而产生感应电动势，得到电能。

在美国专利号4599551的专利中公开了一种热声发动机驱动的磁流体交流发电系统，它由对置的两个驻波型热声发动机驱动，它采用钠钾合金为磁流体工质，并且在整个系统内部都充满该工质。图7表示出这种磁流体交流发电系统的结构，它由对置的两个驻波型热声发动机驱动，其中加热器4用于维持高温，一般采用耐高温金属材料制作；板叠3用于热能与声能的转换，一般采用低导热率的金属平行薄板制作；2为室温端换热器，图中的谐振管11是垂直纸面延伸的扁平状谐振管，谐振管的扁平状部分设置在两个磁极13之间，在谐振管内部的两个壁上安装电极15用于输出电能。利用热声发动机产生的压力波动来推动液态磁流体在两个磁极13之间产生的磁场中运动，切割磁力线而产生感应电动势，该系统将热声发动机与磁流体发电机直接耦合在一起，结构上比较简单。然而，该系统存在以下不足之处：第一，由于现有系统直接采用液态金属磁液体作为工质，包括热声发动机也采用同样的液态金属磁液体作为工质，这样就使得热声发动机部分的设计较之以氦气等气体作为工质的热声发动机更为复杂，所以以液态金属液体为工质的发动机成本较高，进而使整个磁流体发电机系统的成本较高；第二，采用液态金属工质的热声磁流体交流发电系统工作频率达到了千赫量级，与目前日常生活和工业中所用的50至60赫兹的电工频率相差很大，不利于实际应用；第三，在该热声磁流体交流发电系统中，由于液态金属工质的轴向导热作用，使得热量从加热器直接流向室温端换热器，造成加热量的大量损失，降低了系统效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的热声磁流体交流发电系统直接采用液态金属磁液体作为工质包括热声发动机也采用同样的液态金属磁液体作为工质所产生的热声发动机复杂、发动机成本高、整个磁流体发电系统成本较高的不足，提供一种改进的热声液态磁流体发电系统。

为此，本发明提供一种热声液态磁流体交流发电系统，该发电系统包括热声发动机和液态磁流体交流发电机，所述热声发动机的谐振管耦合在所述液态磁流体交流发电机的、用于容纳液态磁流体的管道的一个开口端上，该管道放置在磁场中，使得液态磁流体在管道中流动时切割磁力线产生电能，该管道包括输出电极用于输出产生的电能，其特征是，所述热声发动机的工质为气体工质。

由于本发明中热声发动机不再采用与磁流体发电机同样的液态金属磁液体作为工质，而是采用气体工质比如氦气气体作为工质，这样的热声发动机就比采用液态金属磁液体作为工质的发动机结构更为简单，从而降低了整个磁流体发电机系统的成本。另一方面，采用气体工质的热声发动机驱动的磁流体交流发电系统的工作频率可以降低到与目前通用电工频率相当的大小，利于实际应用；此外，采用气体工质避免了液态金属工质的轴向导热，降低了系统加热量的损失，提高了系统效率。

在上述技术方案中，所述管道为一个U形电绝缘扁平管道，所述U形电绝缘扁平管道水平放置，使得液态磁流体靠自身重力作用与所述热声发动机的气体工质形成界面。

在上述技术方案中，所述管道中有至少一个弹性膜，用于将所述热声发动机的工质和所述液态磁流体交流发电机的磁流体隔离，使得在所述液态磁流体交流发电机处于任何方位时均能保持磁流体与所述热声发动机气体工质的隔离。

在上述技术方案中，所述输出电极是分别安装在所述管道的两侧壁上并与磁流体相接触的两个电极，用于与外部电路相连接输出电能。

在上述技术方案中，所述热声发动机为行波型热声发动机，或是驻波型热声发动机。

在上述技术方案中，所述的液态磁流体可以是在10℃至50℃处于液态的金属镓或含有金属镓的合金，或其它在室温下处于液态的合金。

在上述技术方案中，还包括第二热声发动机，该第二热声发动机的谐振管耦合在所述管道的另一个开口端上，使得两个热声发动机驱动所述管道中的磁流体。

在上述技术方案中，所述管道在纵向上是分成多个不连通的管道层，每个管道层中的磁流体独立地流动切割磁力线；在每个管道层的两侧壁上都有对应的两个电极，这些电极按照串联方式连接以输出串联的高电压。

在上述技术方案中，还包括在所述管道的任一端或两端内部安装的金属线圈，所述线圈的位置处于磁流体与所述热声发动机的气体工质的界面，在所述线圈的两端设置两个磁极以在所述线圈内部产生磁通量，使得当所述热声发动机驱动磁流体流入和流出所述线圈内部时，由于磁流体的导磁作用而使得所述线圈的磁通量增大和减小，从而在所述金属线圈内部产生电动势，电能从所述线圈两端输出。

在上述技术方案中，所述管道是弯曲成两端彼此靠近的；在所述管道的两端内部各安装一个金属的线圈，两个所述线圈的位置分别处于磁流体与所述热声发动机气体工质的界面，两个所述线圈是并排放置的，在两所述线圈的两端设置两个磁极以在所述线圈内部产生磁通量，使得当所述热声发动机驱动磁流体流入和流出所述线圈内部时，由于磁流体的导磁作用而使得所述线圈的磁通量增大和减小，从而在所述线圈内部产生电动势，电能从所述线圈两端输出。

在上述技术方案中，所述线圈纵向与所述管道纵向是垂直的。

在上述技术方案中，所述磁流体也可以是在水或油中加入磁性超微粒子形成的具有导磁作用的磁性液体。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)热声发动机采用气体作为工质，系统设计相对容易，且工作频率低，气体轴向导热量小，效率较高；

(2)采用液态磁流体切割磁力线或改变线圈磁通来发电，避免了机械活塞等运动部件，降低了系统的制作难度及成本。

附图说明

图1为本发明实施例1的环路形式的行波型热声发动机驱动的液态磁流体交流发电系统的结构示意图。

图2为本发明实施例2的驻波型热声发动机驱动的液态磁流体交流发电系统的结构示意图。

图3为本发明实施例3的接有两个行波热声发动机驱动的液态磁流体交流发电系统的结构示意图。

图4为本发明实施例4的流道分成若干层的液态磁流体交流发电系统的结构示意图。

图5为本发明实施例5的使用弹性膜封闭磁流体的液态磁流体交流发电系统的结构示意图。

图6为本发明实施例6的利用纳米铁磁流体的导磁性的动铁式液态磁流体交流发电系统的结构示意图。

图7为已有技术的驻波型热声发动机驱动的磁流体发电系统。

附图标记一览表：

1——反馈管； 2——室温端换热器；   3——回热器或板叠；

4——加热器； 5——热缓冲管；       6——室温端换热器；

7——弹性膜； 8——三通；           9——旁通细管；

10——阀门；  11——非金属扁平管道；12——磁流体；

13——磁极；  14——气体弹簧；      15——电极；

16——线圈；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

如图1所示，本实施例的热声发电系统包括行波型热声发动机及液态磁流体发电机，热声发动机中的工质为气体比如氮气，液态磁流体发动机中的工质为液态磁流体比如在室温下液态的金属镓。行波型热声发动机包括依次相连并形成行波回路的反馈管1，室温端换热器2，回热器3，加热器4，热缓冲管5，室温端换热器6，用以消除环路直流的弹性膜7，三通8以及各环形连接管道；液态磁流体发电机是安装在三通8处的液态磁流体交流发电机。当热量由加热器4进入发电机系统后，在加热器4和室温端换热器2之间的回热器3两端出现温度差，在回热器3轴向建立起温度梯度；当该温度梯度大于临界温度梯度时，行波型热声发动机产生自激振荡，将热能转化成机械能，该机械能提供给发电机以驱动磁流体运动切割磁力线，通过磁流体发电机将机械能转化成电能；本实施例的液态磁流体交流发电机包括：一截面为U形的电绝缘扁平管道11，图1中表示的是管道11的截面，管道11是垂直于该截面延伸扩展成的扁平管道，该管道11一端与三通8密封相通，另一端封闭，所述的管道11内还盛有的液态磁流体12，液体磁流体总体上在管道中成U形，所述U形电绝缘扁平管道水平放置，使得液态磁流体靠自身重力作用与发动机气体工质形成界面；液态磁流体12与管道11的封闭端留有一段气体空间充当气体弹簧14，所述的管道11两端接有一个带阀门10的旁通细管9，用以充放封闭端气体弹簧14中的工作气体，管道11中的液态磁流体12的一段扁平部分处于由永磁体构成的一对磁极13产生的方向为平行于图中的截面且垂直于磁流体运动方向的恒定磁场中，当液态磁流体在磁场中沿着管道11的纵向作往复运动时将切割磁力线产生电动势，通过平行于纸面两侧的电极15与外部电路相接，输出电能。所述的电极15与磁流体接触，但与管道11的壁面固定、不随着磁流体一起运动。

本实施例中是采用环路形式的行波型热声发动机，本领域技术人员容易理解，也可采用同轴形式的热声斯特林发动机，比如将弹性膜7、主室温端换热器2、回热器3、加热器4、热缓冲管5和次室温端换热器6置于反馈管的内部，使结构更为紧凑。

实施例2

如图2所示，在实施例1中的热声发电机系统还可以采用驻波型热声发动机来产生压力波动，驱动液态磁流体运动；驻波型热声发动机包括加热器4，板叠3，室温端换热器2顺序连接，所述的板叠3在功能上与回热器相同，也是在两端产生温度梯度。当热量由加热器4进入发动机系统，板叠3两端出现温度差，在板叠3轴向建立起温度梯度。当该温度梯度大于临界温度梯度时，驻波型热声发动机产生自激振荡，将热能转化成机械能，该机械能提供给发电机以驱动磁流体运动切割磁力线，通过磁流体发电机将机械能转化成电能。

其他同实施例1。

实施例3

如图3所示，在实施例1的基础上，在U形的电绝缘扁平管道11两端分别接一行波型热声发动机，由此可得到更大的压力波动，同时使得磁流体12的运动速度增加，提高磁流体发电机性能。此处行波型热声发动机结构及其他都与实施例1相同。

本实施例中采用环路形式的行波型热声发动机，本领域技术人员容易理解，也可采用同轴形式的行波热声发动机或驻波型热声发动机。同轴形式的行波热声发动机的结构可与实施例1的同轴形式的行波热声发动机的结构相同，驻波型热声发动机结构可以与实施例2相同。

实施例4

如图4所示，在实施例1的基础上采取进一步的技术，本实施中利用电绝缘板将位于磁场中的扁平管道内部分成若干管道层比如三层，这些管道层是相互平行的，并且彼此使得磁流体不连通，因此磁流体在管道中也分别被分成相互独立的若干层，每层管道层在平行的侧面两侧内部贴有电极，电极接触相应管道层内的磁流体，并伸出管道层的侧面壁用于输出电能，且相邻两层磁流体电极之间的电极首尾相连形成串联，以提高发电机的输出电压。

实施例5

前面的实施例中，磁流体与发动机的气体工质是通过依靠重力的作用使得磁流体与气体工质形成界面，这在一定程度上限制了整个发电机的使用，比如限制了磁流体管道的放置方向等。本实施例中，如图5所示，在U形电绝缘扁平管道11内的磁流体两端安装弹性膜7用于将磁流体和气体工质形成隔离，可使得磁流体发电机可以以任意方向安装，避免了对重力的依赖。其他同实施例1。

实施例6

如图6所示，磁流体发电机的管道的一端将与热声发动机相连，另一端为封闭的气体弹簧11(或接另一热声发动机)，为便于充放气管道两端通有一个带阀门10的旁通细管9。图中，在U形磁流体两端的液面平衡位置管道外侧相对地各放置一对磁极13，磁极13形成的磁力线与管道纵向方向垂直，在磁场内部的U形电绝缘管道11中放入线圈16，线圈轴线与磁极表面垂直或者说线圈轴线与磁力线方向一致，且线圈16的中心位于磁流体的平衡位置上。所述的磁流体为在水或油中加入磁性超微粒子(如四氧化三铁、铷铁硼等)或者微纳米铁粉形成的磁性液体，其作用是导磁。热声发动机产生的压力波动推动磁流体来回振荡，当磁流体充满线圈时，由于磁流体的导磁作用，通过线圈的磁通量增大；当磁流体离开线圈时，通过线圈的磁通量减小，这样将使得通过线圈的磁通量周期性地变化，从而在线圈11上感应出电动势，线圈的两端头作为电极输出电能。

容易理解，在磁流体发电机俯视角度上，将管道按照如下方式形成弯曲形状使得两端彼此靠近：将图中左侧两个磁极与线圈顺时针旋转90度，将右侧磁极与线圈逆时针旋转90度；这样两个永磁体可合二为一，此时两个线圈是并排平行放置的，即可采用一个永磁体来提供两个磁极，达到节约永磁材料的目的。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种热声液态磁流体交流发电系统，该发电系统包括热声发动机和液态磁流体交流发电机，所述热声发动机的谐振管耦合在所述液态磁流体交流发电机的、用于容纳液态磁流体的管道的一个开口端上，该管道放置在磁场中，使得液态磁流体在该管道中流动时切割磁力线产生电能，该管道包括输出电极用于输出产生的电能，其特征是，所述热声发动机的工质为气体工质，所述管道为一个截面为U形并垂直于该截面延伸扩展成的电绝缘扁平管道，所述U形电绝缘扁平管道水平放置，使得液态磁流体靠自身重力作用与所述热声发动机的气体工质形成界面。

2.根据权利要求1所述的热声液态磁流体交流发电系统，其特征是，所述管道中有至少一个弹性膜，用于将所述热声发动机的气体工质和所述液态磁流体交流发电机的液态磁流体隔离。

3.根据权利要求1所述的热声液态磁流体交流发电系统，其特征是，所述输出电极是分别安装在所述管道的两侧壁上并与液态磁流体相接触的两个电极。

4.根据权利要求1所述的热声液态磁流体交流发电系统，其特征是，所述的液态磁流体是在10℃至50℃处于液态的金属镓或含有金属镓的合金，或是在室温下处于液态的合金。

5.根据权利要求1所述的热声液态磁流体交流发电系统，其特征是，还包括第二热声发动机，该第二热声发动机的谐振管耦合在所述管道的另一个开口端上，使得两个所述热声发动机驱动所述管道中的液态磁流体。

6.根据权利要求1、3、4或5所述的热声液态磁流体交流发电系统，其特征是，所述管道在纵向上被分成多个不连通的管道层，每个所述管道层中的液态磁流体独立地流动并切割磁力线，在每个所述管道层的两侧壁上都有对应的两个电极，这些电极按照串联方式连接以输出串联的高电压。

7.根据权利要求1、3、4或5所述的热声液态磁流体交流发电系统，其特征是，还包括在所述管道的任一端或两端内部安装的金属的线圈，所述线圈处于液态磁流体与所述热声发动机气体工质的界面，在所述线圈的两端设有两个磁极以在所述线圈内部产生磁通量，使得当所述热声发动机驱动液态磁流体流入和流出所述线圈内部时，由于液态磁流体的导磁作用而使得所述线圈的磁通量增大和减小，从而在所述线圈内部产生电动势，电能从所述线圈两端输出；所述线圈纵向与所述管道纵向垂直。

8.根据权利要求1、3、4或5所述的热声液态磁流体交流发电系统，其特征是，所述管道被弯曲成两端彼此靠近，在所述管道的两端内部各安装一个金属线圈，两个所述线圈分别处于液态磁流体与所述热声发动机的气体工质的界面，两个所述线圈是并排放置的，在两所述线圈的两端设置两个磁极以在所述线圈内部产生磁通量，使得当所述热声发动机驱动液态磁流体流入和流出所述线圈内部时，由于液态磁流体的导磁作用而使得所述线圈的磁通量增大和减小，从而在所述线圈内部产生电动势，电能从所述线圈两端输出。

9.根据权利要求1、3、4或5所述的热声液态磁流体交流发电系统，其特征是，所述液态磁流体是在水或油中加入磁性超微粒子形成的具有导磁作用的磁性液体。

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