CN101710781A - 居里点振荡发电法及装置 - Google Patents
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Abstract
居里点振荡发电法及装置，涉及一种热力发电的方法及所采用的装置。由永磁铁或电磁铁、软磁铁和带铁芯的线圈组成的磁路中，对软磁铁不断加热再冷却，使其温度在其居里点上下周期性地振荡，从而不断地被磁化和消磁，线圈中的磁通量周期性地增减感应出连续的交流电。装置是由多块相互绝缘的软磁片叠成软磁铁的一侧面接加热气缸，一侧面接冷却气缸，冷却气缸内有活塞，软磁铁内每相邻两块软磁片间有气隙将加热气缸和冷却气缸连通，由加热气缸、软磁片间的气隙或气孔、冷却气缸形成的封闭空间内充有工质气体，带铁芯的线圈、软磁铁、永磁铁组成磁路。本发明发电过程高效平稳，对燃料性质要求不高，能使热能直接高效地转化为电能，污染排放及噪音较小。
Description
技术领域
本发明涉及一种热力发电的方法及所采用的装置。
背景技术
电能作为一种高品质的能源，人类对它的的需求增长迅速，发电的方式也多种多样。目前常用的方法主要有：火力发电、水力发电、风力发电、潮夕发电、核能发电、太阳能发电。在热力发电这一方面，现在的方法主要是将热能转化为机械能，再利用机械能去带动发电机发电，如蒸汽轮机发电、内燃机发电、斯特林发动机发电等。它们的共同之处是能量转换必须经历原始能→热能→机械能→电能四种能量形式，中间过程较多，污染严重且能量转化率低。20世纪中叶以来，随着保护环境的呼声越来越高以及能源危机加重，世界各国都致力于寻求更加环保、高效的新途径。如果将热能直接转化为电能，少去一个中间环节，将有可能使能量转化率得以提高。在这个思想的启发下，出现了磁流体发电和燃料电池发电方式，能量转化率都显著提高。但由于这些系统结构复杂，制造成本高，且许多关键技术尚待突破，还不能达到实用阶段。至今，低效率的内燃机仍然是人类活动的主要动力源。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种能使热能直接高效地转化为电能，以提高燃料利用率，减少环境污染的居里点振荡发电法及装置。
本发明的实现方式为，居里点振荡发电法，在由永磁铁或电磁铁、软磁铁、带铁芯的线圈组成的磁路中，对软磁铁不断加热再冷却，使其温度在其居里点上下周期性地振荡，从而不断地被磁化和消磁，使线圈中的磁通量周期性地增减，从而在线圈中感应出连续的交流电。
居里点振荡发电法的装置，由多块相互绝缘的软磁片叠成软磁铁，软磁铁的一侧面与一个加热气缸连接，另一侧面与一个冷却气缸连接，冷却气缸内有活塞，软磁铁内每相邻两块软磁片间都有气隙将加热气缸和冷却气缸连通，由加热气缸、软磁片间的气隙或气孔、冷却气缸形成的封闭空间内，充有工质气体，
带铁芯的线圈、软磁铁、永磁铁或电磁铁组成磁路。
软磁铁作为线圈的铁芯，与永磁铁或电磁铁组成磁路。磁路为带铁芯的线圈、软磁铁、永磁铁或电磁铁组成的开式磁路，或为带铁芯的线圈、软磁铁、永磁铁或电磁铁组成的闭合式磁路，或为带铁芯的线圈、软磁铁、永磁铁或电磁铁组成的混联闭合式磁路。
组成软磁铁的软磁片居里点自加热气缸一侧向冷却气缸一侧渐次降低。
本发明发电过程平稳，对燃料性质要求不高，无机械传动装置，能使热能直接高效地转化为电能，热电转化率高，污染排放及噪音较小，设备结构简单。
附图说明
图1是软磁铁与加热气缸及冷却气缸连接图，
图2是串联开式磁路图，
图3是串联闭合磁路图，
图4是混联闭合磁路图，
图5软磁铁作为线圈的铁芯串联磁路图
图6是典型温度分布图，
图7是系统能流量图。
具体实施方式
参照图1，数片软磁片2叠加所成的软磁铁1，每相邻两块软磁片之间相距一定距离3，在软磁铁的两个侧面形成气体隙，一个侧面连接加热气缸4，另一个侧面连接冷却气缸5，冷却气缸5内装一个活塞6。由加热气缸、软磁片间的气隙、冷却气缸形成的封闭空间内充有工质气体。
工质气体从加热气缸至冷却气缸流动时，因加热气缸内的气体温度高于冷却气缸，因此软磁片间的气隙内的工质气体在两端存在温差。为使本发明的装置充分吸收软磁片间的气隙内的工质气体的热量，需要将软磁片做成具有靠近加热气缸端居里点较高、靠近冷却气缸端居里点较低的性质。
冷却气缸内的活塞往复频率越高，线圈中磁通变化越快，产生的感应电动势就越高。而每次加热或冷却过程都要有足够的传热量，才能使软磁片温度在居里点上下跳动，这需要有足够的温差及传热面积，才能实现较快的传热频率，因此软磁片的居里点范围要低于加热气缸内气体温度一定值，同时要高于冷却气缸内的气体温度一定值。
为减小因交流电感在软磁片2中形成的涡流，软磁片2需要做成较薄的相互绝缘的片状，并且在磁路中要与磁力线方向平行安装。采用较薄的软磁片2，同时也使得在相同体积下的软磁铁与工质气体间具有较大的传热接触面积。
软磁铁1除了两侧与气缸的接触面外，其余表面均需要采取喷涂热障涂层等绝热措施，以尽量减小对外散热导致的热损失。
参照图2，软磁铁1的两个侧面已分别连接了加热气缸及冷却气缸，另两个侧面分别连接铁芯7和永磁铁9，串联组成一段开式磁路，软磁铁1在磁路中充当“衔铁”的作用。当活塞往复运动致使软磁铁温度在其居里点上下振荡时，线圈8中的磁通也一起周期性地变化，在其中感应出交流电。
永磁体9的磁性越强，装置的尺寸及重量就越轻，因此永磁铁尽可能采用强力磁铁，如钕铁硼磁铁、钐钴磁铁等。永磁铁9还可以用电磁铁代替。
参照图3，输入端子10中通直流电，使左端的线圈8与铁芯7形成电磁铁，与上下两个软磁铁1、右端的铁芯7组成串联闭合磁路，当软磁铁温度在其居里点上下振荡时，右端线圈8中的磁通也一起周期性地变化，在其中感应出交流电并输出至输出端子11。
图中电磁铁还可以用永磁铁代替。
参照图4，输入端子10中通直流电，使左端的线圈8与铁芯7形成电磁铁，与中间的软磁铁1、右端的铁芯7组成混联闭合磁路，并且使软磁铁1材料的磁导率高于铁芯7的磁导率，当软磁铁温度在其居里点上下振荡时，右端线圈8中的磁通也一起周期性地变化，在其中感应出交流电并输出至输出端子11。
图中电磁铁还可以用永磁铁代替。
参照图5，对应图2中的情况，可以将软磁铁直接作为线圈的铁芯，与磁路中的永磁铁串联起来。这样做的好处是精简了装置，减少了铁芯的重量，但也带来工质气体密封及软磁体外表面散热困难的一些问题。
参照图6，新鲜空气从进气管12进入预热器14预热成约600K的气体后进入燃烧室15，燃烧产物将其加热到2500K，再流过换热器16，在那里把热量传给工质，将工质气体加热至约1000K的温度，燃烧废气再流过预热器14，将余热传递给进来的新鲜空气，最后从排气管13排出。
工质气体进入加热气缸4内将其内的气体加热至约900K的温度，软磁铁1高温端居里点约760K，低温端居里点约460K，经冷却气缸5冷却后，缸内工质气体温度接近环境温度330K。
冷却气缸中工质释出的热，通过换热器18至外部散热系统，泵20形成冷却循环将热量带至外部散热器19，最终排出至环境大气中，环境温度约300K。
参照图7，居里点振荡发电装置的热力循环与热气机相似，输入热气总能量A为100％，预热器回热B大约为总输入能量的45％，预热器散热损失C大约为的5％，排气热损失D约为15％，软磁铁回热F大约为的450％，冷却水中的热损失H为25％，活塞往复运动耗能G为5％，在发电机线圈上的有效输出I大约为50％。
图中有一点值得注意，即软磁铁1同时担负了回热的功能。高温工质气体流经软磁铁并对软磁片加热，然后低温工质气体回流时又将软磁铁中上次加热的大部分热量带回到加热气缸，单次往返传热量大，每秒往返数十次，所以能流量非常高，相当于加热能输入能量的四倍多，或相当于冷却器能流量的18倍，有效功能流量的10倍。这种大量能流的再循环，使得质量较大的软磁铁能够快速地升温和降温。
由此可见，采用本发明能使热能直接高效地转化为电能。
下面用实例来进一步说明本发明。
例：将100片由某镍合金软磁材料做成的软磁片叠成一块软磁铁，每片软磁片尺寸为100mm×100mm×1mm(长×宽×厚度)，相邻两片软磁片间距0.1mm；输出线圈为2000匝，导线截面积为2.5mm2；其最高磁通密度为0.75特斯拉；靠近热端居里点为890K，靠近冷端居里点为340K。加热气缸内气体温度为900K，冷却气缸内气体温度为330K；活塞往复频率为50Hz。求软磁铁中的软磁片温度变化范围、线圈输出电动势、输出功率。
铁芯温度变化范围：
铁芯磁通截面积＝100×10×10×0.01＝100cm2
气隙总面积＝100×10×10×0.001＝10cm2，
镍合金比重8.9g/mm3，软磁片总质量为8.9×100×10＝8900g，
镍合金比热为0.46J/g.℃，每升温1度需要热量8900×0.46＝4094焦耳；
镍合金传热率约为90w/m.K，传热温差为900-890＝340-330＝10K，接触面积为100×10×10×2cm2＝2m2，传热距离为0.1mm/2＝0.0005m，活塞每单程送气时间为0.01秒。
每单程传热量为90×2/0.0005×10×0.01＝36000焦。
因此铁芯温度变化范围在36000/4094＝8.8℃内。
线圈输出电动势：
线圈磁通量为nψ＝2000×0.01×0.75＝15韦；
因活塞往复频率为50Hz，每个单程时间需要0.01秒，则发电机电动势为15/0.01＝1500V。
线圈输出功率：导线截面积为2.5mm2，输出电流＞10A，则输出功率为1500×10＝15000W＝15KW。
Claims (8)
1.居里点振荡发电法，其特征在于由永磁铁或电磁铁、软磁铁、带铁芯的线圈组成的磁路中，对软磁铁不断加热再冷却，使其温度在其居里点上下周期性地振荡，从而不断地被磁化和消磁，使线圈中的磁通量周期性地增减，从而在线圈中感应出连续的交流电。
2.权利要求1所述的居里点振荡发电法的装置，其特征在于由多块相互绝缘的软磁片叠成软磁铁，软磁铁的一侧面与一个加热气缸连接，另一侧面与一个冷却气缸连接，冷却气缸内有活塞，软磁铁内每相邻两块软磁片间都有气隙将加热气缸和冷却气缸连通，由加热气缸、软磁片间的气隙或气孔、冷却气缸形成的封闭空间内，充有工质气体，
带铁芯的线圈、软磁铁、永磁铁或电磁铁组成磁路。
3.根据权利要求2所述的居里点振荡发电法的装置，其特征在于组成软磁铁的软磁片居里点自加热气缸一侧向冷却气缸一侧渐次降低。
4.根据权利要求2所述的居里点振荡发电法的装置，其特征在于软磁铁作为线圈的铁芯，与永磁铁或电磁铁组成磁路。
5.根据权利要求2所述的居里点振荡发电法的装置，其特征在于磁路为带铁芯的线圈、软磁铁、永磁铁或电磁铁组成的开式磁路。
6.根据权利要求2所述的居里点振荡发电法的装置，其特征在于磁路为带铁芯的线圈、软磁铁、永磁铁或电磁铁组成的闭合式磁路。
7.根据权利要求2所述的居里点振荡发电法的装置，其特征在于磁路为带铁芯的线圈、软磁铁、永磁铁或电磁铁组成的混联闭合式磁路。
8.根据权利要求2所述的居里点振荡发电法的装置，其特征在于不与气缸接触的软磁铁表面喷涂热障涂层。
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