CN104124334A - 一种热声发动机驱动的热磁发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种热声发动机驱动的热磁发电系统，包括：热声发动机、热源供应系统及热磁发电机；热源供应系统为热磁发电机提供热量；热磁发电机利用流体交变流动将热能转换成电能；热磁发电机包括两个室温换热器及位于其间的高温换热器；装于室温与高温换热器间的软磁体；相对放置的两组弓型导磁体；每组弓型导磁体一端夹装永磁体，另一端夹装软磁体；线圈上有线圈；每一软磁体、永磁体和一组弓型导磁体构成磁回路；工作时，热声发动机驱动流体在室温与高温换热器间来回运动，软磁体周期性被加热和冷却，其温度在居里点附近变化，磁导率周期性变化，磁回路磁阻和磁通量变化，线圈产生感应电动势而产生电能；本发明无噪音、应用温区宽、发电量灵活调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种热磁发电装置，特别涉及一种热声发动机驱动热磁发电系统。
背景技术
热磁发电机是利用高磁导率软磁材料在居里点附近磁导率发生巨大变化，从而引起磁回路中通过线圈的磁通量变化，进而产生电能的装置。但是热磁发电系统需要交替加热和冷却磁性材料，而如何实现磁性材料的快速加热和冷却是该技术中的难点之一。
现有技术的往复式活塞泵驱动的热磁发电系统，如图6所示，1是第一室温换热器，4是由软磁材料薄片叠加的软磁体，5是高温换热器，7是第二室温换热器，8是流体通道，25是往复活塞，磁回路由软磁体4、工型导磁体2和永磁体3组成，整个系统是封闭的，流体可以是气体或者液体，随着活塞泵驱动流体往复振荡，流体在高温换热器5处被加热，在室温换热器1和7处被冷却，并通过与软磁体4的热交换，使软磁材料周期性的被加热和冷却，磁导率周期性变化，使得外接磁路中的磁通量变化，线圈感应产生电流。不过活塞泵与流道的密封安装较为复杂，同时活塞如果长时间往复运动会带来很多问题；而高温换热器需要加热棒供能，一是提供的高温有限，限制了高居里点软磁材料的应用；二是加热棒也是电能的输入，对于效率的计算以及热磁发电技术的应用产生了制约。
热声发动机利用热声原理，当回热器两端有温差存在时，系统便可以自激起振，发动机内的气体便一直在平衡位置往复运动，由于没有机械运动部件，热声发动机可以长时间安全稳定的运行。根据内部声场的不同，热声发动机可以分为驻波型与行波型，驻波型为直线型结构，简单紧凑，但基于不可逆的循环，效率较低；而行波型为环路加谐振管的结构，基于可逆的斯特林循环，效率较高。
与此同时，太阳能资源安全、无污染、储量丰富且可以经济利用。我国地处北半球欧亚大陆的东部，幅员辽阔，太阳能资源十分丰富。每年陆地面积接受的太阳辐射能相当于2．4万亿吨标准煤，约等于上万个三峡工程发电量的总和。其中年日照时数超过2000小时，辐射总量高于1630kwh／m2的地区占全国总面积的2／3以上， 主要分布在西藏大部、新疆、青海、甘肃、黄土高原、内蒙、华北大部和苏北等地。如果能够将这些太阳能有效利用，对于缓解我国的能源问题，保护生态环境，保证经济发展过程中能源的持续稳定供应都将具有重大而深远的意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种热声发动机驱动的热磁发电系统，将热磁发电机耦合在热声发动机的谐振管中部，利用气体的往复振荡，将高温换热器的热能转化成电能，整个系统完全没有运动部件。热源的供应可以采用燃气式或太阳能式，燃气的方式可以大大增加热端温度，如果气体燃料采用天然气，温度可高达1100℃，如果采用液化石油气，温度在900℃左右，这样可以应用更高居里点的软磁材料，流道采用316L耐高温钢；同时回收的烟气通过套管式逆流换热器将余热传给入口段冷空气，提高了热能的利用率；而采用太阳能热源供应系统，高效环保，也能够适当提高热端温度，碟式集热器能达到的温度范围为750℃～1380℃，槽式集热器能达到的温度范围为390℃～700"C，塔式集热器能达到的温度范围为560℃～1000℃。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供的热声发动机驱动的热磁发电系统，其包括热声发动机、热源供应系统和热磁发电机；所述热源供应系统为热声发动机的高温换热器提供所需热量，所述热磁发电机利用气体的往复振荡将高温换热器的热能转换成线圈中的电能；
所述的热磁发电机包括：由依次相连的第一室温换热器1、第一软磁段4、高温换热器5、第二软磁段6和第二室温换热器7构成的热交换组件；一对其上套有线圈相对放置的弓型上导磁体2，所述弓型上导磁体2相对的一端夹装第一软磁段4，另一端夹装上永磁体3；一对其上套有线圈相对放置的弓型下导磁体201，所述弓型下导磁体201相对的一端夹装第二软磁段6，另一端夹装下永磁体301；所述第一软磁段4和第二软磁段6由软磁材料片叠摞而成；所述软磁材料片的居里温度小于高温换热器5的温度；所述的第一软磁段4、上永磁体3和所述的一对弓型上导磁体2构成一磁回路并形成一个热磁发电单元；所述的第二软磁段6、下永磁体301和所述的一对弓型下导磁体201构成另一磁回路并形成另一个热磁发电单元；
所述热声发动机为行波热声发动机或驻波热声发动机；
所述行波热声发动机由依次相连并构成行波回路的环形反馈管15，主室温换热 器16，回热器17，第一高温换热器18，热缓冲管19和次室温换热器20组成；所述行波热声发动机的次室温换热器20通过谐振管8与热磁发电机耦合，所述热磁发电机的第二室温换热器7与一谐振腔9相连通；
所述的驻波热声发动机由依次相连的主室温换热器16，回热器17和第一高温换热器18组成；所述的驻波热声发动机的主室温换热器16通过谐振管8与热磁发电机耦合，所述热磁发电机的第二室温换热器7与一谐振腔9相连通；
所述的热源供应系统或为燃气式热源供应系统，其包括：一台用于驱动空气流动的风机12；一个用于空气和回收烟气热交换的套管式逆流换热器11；用于气体燃料与空气混合燃烧的燃烧室10，燃烧室10内装有喷嘴、点火装置，空气流道14和烟气管道13；所述风机12通过套管式逆流换热器11中的空气流道14与所述燃烧室10相连通；所述燃烧室10输出与所述高温换热器5输入相连；所述高温换热器5输出通过套管式逆流换热器11中的烟气管道13与大气或烟气回收装置相连；
所述的热源供应系统或为太阳能热源供应系统，所述太阳能热源供应系统为碟式太阳能热源供应系统或槽式太阳能热源供应系统；
所述的槽式太阳能热源供应系统中线聚焦的抛物面镜21将太阳光聚焦在其中间的真空集热管上，真空集热管内的导热油被加热，水泵121驱动导热油流动，沿输入管道22进入高温换热器5进行热交换，完成后沿输出管道23再流回水泵121，如此反复，热源不断传送到发电机；
所述的碟式太阳能热源供应系统中菲涅尔透镜或抛物聚焦面镜24将太阳光聚焦在接收器上，而高温换热器5就安装在接收器上，高温换热器5被直接加热。
所述的槽式太阳能热源供应系统设有自动跟踪系统，根据太阳高度角的不同，自动调节方位，使得抛物面镜21充分获得太阳光直射。
所述的碟式太阳能热源供应系统设有自动跟踪系统，根据太阳高度角的不同，自动调节方位，使得菲涅尔透镜或聚焦抛物面镜24充分获得太阳光直射。
所述的谐振管8内装有软磁材料。
所述热交换组件中的第一软磁段4和第二软磁段6沿轴向分成多段，各段软磁段的软磁材料片的居里温度不同，从高温换热器5到第一室温换热器1或高温换热器5到第二室温换热器7之间的各段软磁段软磁材料片的居里温度呈阶梯下降，形成多个热磁发电单元，将多个热磁发电单元的线圈串联或并联输出电功。
所述软磁材料片材质为铁及铁系合金，坡莫合金，铁氧体化合物或非晶态金属 玻璃，其厚度小于2倍的软磁材料片热穿透深度，即其中κ为软磁材料的热扩散系数，ω为流体运动角频率，c为软磁材料比热容，ρ为软磁材料密度。
所述线圈上通有直流电。所述的磁回路中的永磁体产生的磁场可以用通有直流电的线圈代替。
所述的系统内气体工质可以是氮气、氦气、氩气或二氧化碳等气体。
本发明热声发动机驱动的热磁发电系统的优点如下：
本发明的热声发动机驱动的热磁发电系统可以实现高频率加热和冷却，具有功率密度高的优点，同时运行安静、无噪音，并且整个系统完全没有运动部件，使用安全稳定，寿命高。利用高温燃气或太阳能可以增大温区，提高热能利用率，实现热能向电能的直接、高效转换。
附图说明
图1为本发明热声发动机驱动的热磁发电系统（实施例1）的结构示意图。
图2-1为本发明热声发动机驱动的热磁发电系统（实施例2）的结构示意图。
图2-2为图2-1中槽式太阳能集热器立体图。
图3-1为本发明热声发动机驱动的热磁发电系统（实施例3）的结构示意图。
图3-2为图3-1中碟式太阳能集热器立体图。
图4为本发明热声发动机驱动的热磁发电系统（实施例4）的结构示意图。
图5为本发明热声发动机驱动的热磁发电系统（实施例5）的结构示意图。
图6为原有热磁发电系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
一种热声发动机驱动的热磁发电系统，其包括：热声发动机、热源供应系统和热磁发电机；热磁发电机与热声发动机在谐振管处耦合在一起，利用气体在室温换热器与高温换热器之间的往复振荡，软磁体的软磁材料薄片将周期性的被加热和冷却；使其温度在居里点附近变化，其磁导率发生周期性变化，从而使磁回路的磁阻和磁通量发生变化，线圈上产生感应电动势，进而产生电能。
实施例1：
图1为本发明热声发动机驱动的热磁发电系统（实施例1）的结构示意图。
由图可知，其结构包括：热声发动机(本实施例为行波热声发动机)，热磁发电机和燃气式热源供应系统；
行波热声发动机依次由环形反馈管15，主室温换热器16，回热器17，高温换热器18，热缓冲管19和次室温换热器20构成行波回路组成；通过谐振管8与热磁发电机耦合在一起，最后是谐振腔9；
所述的热磁发电机包括：
由依次相连的第一室温换热器1、第一软磁段4、高温换热器5、第二软磁段6和第二室温换热器7构成的热交换组件；
一对其上套有线圈相对放置的弓型上导磁体2，所述弓型上导磁体2相对的一端夹装第一软磁段4，另一端夹装上永磁体3；
一对其上套有线圈相对放置的弓型下导磁体201，所述弓型下导磁体201相对的一端夹装第二软磁段6，另一端夹装下永磁体301；
所述行波热声发动机的环形反馈管15开口端通过与一谐振管8与所述热交换组件的第一室温换热器1相连通；所述第二室温换热器7连通一个谐振腔9；
所述第一软磁段4和第二软磁段6由软磁材料片叠摞而成；所述软磁材料片的居里温度小于高温换热器5的温度；
所述的第一软磁段4、上永磁体3和所述的一对弓型上导磁体2构成一磁回路并形成一个热磁发电单元；
所述的第二软磁段6、下永磁体301和所述的一对弓型下导磁体201构成另一磁回路并形成另一个热磁发电单元；
所述的热源供应系统与所述热交换组件的高温换热器5相连，而为该高温换热器5提供热量；
当热声发动机(本实施例为行波热声发动机)驱动流体在所述第一室温换热器1与高温换热器5之间及第二室温换热器7与高温换热器5之间来回运动时，第一软磁段4和第二软磁段6的软磁材料片呈周期性被加热和冷却；所述软磁材料片的居里温度小于高温换热器5的温度；当软磁材料片温度在居里点之下时，软磁材料片呈现磁导率很大的铁磁性；当软磁材料片温度在居里点之上时，软磁材料片呈现磁导率很小的顺磁性；所述磁回路的磁阻和磁通量随着软磁材料片磁导率的变化而发 生变化，所述弓型上导磁体2和弓型下导磁体201上的线圈产生感应电动势，进而热磁发电单元产生电能并输出电能；
所述的热源供应系统为燃气式热源供应系统，其包括：一台用于驱动空气流动的风机12；一个用于空气和回收烟气热交换的套管式逆流换热器11；用于气体燃料与空气混合燃烧的燃烧室10，燃烧室10内装有喷嘴、点火装置，空气流道14和烟气管道13；所述风机12通过套管式逆流换热器11中的空气流道14与所述燃烧室10相连通；所述燃烧室10输出与所述高温换热器5输入相连；所述高温换热器5输出通过套管式逆流换热器11中的烟气管道13与大气或烟气回收装置相连；
热声发动机的高温换热器18也可以采用燃气式热源供应系统供热；当回热器17中形成足够的温度梯度，气体开始自激振荡，当气体在谐振管内由左向右运动时，第一软磁体4被冷却，磁回路连通，第二软磁体6被加热，磁回路断开；当气体从右向左运动时，第二软磁体6被冷却，磁回路连通，第一软磁体4被加热，磁回路断开，这样在一个周期内，每个回路中的磁通量发生较大变化，导磁体上缠绕的线圈感应出电流。
实施例2：
图2-1为本发明热声发动机驱动的热磁发电系统（实施例2）的结构示意图。
图2-2为图2-1中槽式太阳能集热器立体图。
本实施例是在实施例1的基础上，将燃气式热源供应系统变为槽式太阳能热源供应系统，其结构包括：行波热声发动机、槽式太阳能热源供应系统和热磁发电机。
槽式太阳能热源供应系统中线聚焦的抛物面镜21将太阳光聚焦在其中间的真空集热管上，真空集热管内的导热油被加热，水泵12驱动导热油流动，沿输入管道22进入高温换热器5进行热交换，完成后沿输出管道23再流回水泵12，如此反复，热源不断传送到发电机；槽式太阳能热源供应系统还可有自动跟踪系统，根据太阳高度角的不同，调整抛物面镜21的方位，以充分吸收太阳能。
本实施例中的行波热声发动机和热磁发电机结构与实施例1相同，这里不再赘述气体往复振荡时的换热过程和磁回路的电能产生过程。
实施例3：
图3-1为本发明热声发动机驱动的热磁发电系统（实施例3）的结构示意图。
图3-2为图3-1中碟式太阳能集热器的立体图。
本实施例是在实施例1的基础上，将燃气式热源供应系统变为碟式太阳能热源供应系统，其结构包括：行波热声发动机、碟式太阳能热源供应系统和热磁发电机；
碟式太阳能热源供应系统中菲涅尔透镜或抛物面镜24将太阳光聚焦在接收器上，而高温换热器5就安装在接收器上，这样就可以直接将高温换热器5加热到很高的温度；同时集热器还可以带有自动跟踪系统，以根据太阳高度角的不同，改变菲涅尔透镜或抛物面镜24的方位，以便增大直射面积，充分利用太阳能。
本实施例中的行波热声发动机和热磁发电机结构与实施例1相同，这里不再赘述气体往复振荡时的换热过程和磁回路的电能产生过程。
实施例4：
图4为本发明热声发动机驱动的热磁发电系统（实施例4）的结构示意图。
本实施例是由双驻波热声发动机耦合热磁发电机，采用对置式的驻波热声发动机，比行波热声发动机结构更简单，同时增大了热磁发电机所在位置的速度波动幅值。图中发动机侧主室温换热器16、发电机侧第一室温换热器1和第二室温换热器7均采用水冷的方式，热声发动机的第二高温换热器18用加热棒供热，热磁发电机的高温换热器5采用燃气式热源供应系统，当回热器17中有足够的温度梯度时，气体自激振荡，使得软磁体周期性的被加热和冷却，具体的换热和转换过程与实施例1一致，这里不再赘述。
实施例5：
图5为本发明热声发动机驱动的热磁发电系统（实施例5）的结构示意图。
本实施例的特点是将驻波型热声发动机的第二高温换热器18热源供应方式由加热棒供能改为燃气式供应，并且与热磁发电机的燃气式热源供应系统连在一起，由于热声发动机的高温端所需温度低于高温烟气的温度，所以高温烟气先流经热磁发电机的高温换热器5后沿管路14流到热声发动机的第二高温换热器18内，换热后沿管路13流到套管式逆流换热器11与冷空气进行热交换，最后排出。磁路的周期变化和流体的换热过程与实施例1一致，这里不再赘述。本实施例充分利用了高温烟气的热量，提高了效率，同时减少了加热棒的电能供应，使热源供应系统一体化，简化了装置，并且利于热磁发电机的应用和推广。
Claims (7)
1.一种热声发动机驱动的热磁发电系统，其包括热声发动机、热源供应系统和热磁发电机；所述热源供应系统为热声发动机的高温换热器提供所需热量，所述热磁发电机利用气体的往复振荡将高温换热器的热能转换成线圈中的电能；
所述的热磁发电机包括：由依次相连的第一室温换热器（1）、第一软磁段（4）、高温换热器（5）、第二软磁段（6）和第二室温换热器（7）构成的热交换组件；一对其上套有线圈相对放置的弓型上导磁体（2），所述弓型上导磁体（2）相对的一端夹装第一软磁段（4），另一端夹装上永磁体（3）；一对其上套有线圈相对放置的弓型下导磁体（201），所述弓型下导磁体（201）相对的一端夹装第二软磁段（6），另一端夹装下永磁体（301）；所述第一软磁段（4）和第二软磁段（6）由软磁材料片叠摞而成；所述软磁材料片的居里温度小于高温换热器（5）的温度；所述的第一软磁段（4）、上永磁体（3）和所述的一对弓型上导磁体（2）构成一磁回路并形成一个热磁发电单元；所述的第二软磁段（6）、下永磁体（301）和所述的一对弓型下导磁体（201）构成另一磁回路并形成另一个热磁发电单元；
所述热声发动机为行波热声发动机或驻波热声发动机；
所述行波热声发动机由依次相连并构成行波回路的环形反馈管（15），主室温换热器（16），回热器（17），第一高温换热器（18），热缓冲管（19）和次室温换热器（20）组成；所述行波热声发动机的次室温换热器（20）通过谐振管（8）与热磁发电机耦合，所述热磁发电机的第二室温换热器（7）与一谐振腔（9）相连通；
所述的驻波热声发动机由依次相连的主室温换热器（16），回热器（17）和第一高温换热器（18）组成；所述的驻波热声发动机的主室温换热器（16）通过谐振管（8）与热磁发电机耦合，所述热磁发电机的第二室温换热器（7）与一谐振腔（9）相连通；
所述的热源供应系统或为燃气式热源供应系统，其包括：一台用于驱动空气流动的风机（12）；一个用于空气和回收烟气热交换的套管式逆流换热器（11）；用于气体燃料与空气混合燃烧的燃烧室（10），燃烧室（10）内装有喷嘴、点火装置，空气流道（14）和烟气管道（13）；所述风机（12）通过套管式逆流换热器（11）中的空气流道（14）与所述燃烧室（10）相连通；所述燃烧室（10）输出与所述高温换热器（5）输入相连；所述高温换热器（5）输出通过套管式逆流换热器（11）中的烟气管道（13）与大气或烟气回收装置相连；
所述的热源供应系统或为太阳能热源供应系统，所述太阳能热源供应系统为碟式太阳能热源供应系统或槽式太阳能热源供应系统；
所述的槽式太阳能热源供应系统中线聚焦的抛物面镜（21）将太阳光聚焦在其中间的真空集热管上，真空集热管内的导热油被加热，水泵（121）驱动导热油流动，沿输入管道（22）进入高温换热器（5）进行热交换，完成后沿输出管道（23）再流回水泵（121），如此反复，热源不断传送到发电机；
所述的碟式太阳能热源供应系统中菲涅尔透镜或抛物聚焦面镜（24）将太阳光聚焦在接收器上，而高温换热器（5）就安装在接收器上，高温换热器（5）被直接加热。
2.按权利要求书1所述的热声发动机驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述的槽式太阳能热源供应系统设有自动跟踪系统，根据太阳高度角的不同，自动调节方位，使得抛物面镜（21）充分获得太阳光直射。
3.按权利要求书1所述的热声发动机驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述的碟式太阳能热源供应系统设有自动跟踪系统，根据太阳高度角的不同，自动调节方位，使得菲涅尔透镜或聚焦抛物面镜（24）充分获得太阳光直射。
4.按权利要求书1所述的热声发动机驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述的谐振管（8）内装有软磁材料。
5.按权利要求书1所述的热声发动机驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述热交换组件中的第一软磁段（4）和第二软磁段（6）沿轴向分成多段，各段软磁段的软磁材料片的居里温度不同，从高温换热器（5）到第一室温换热器（1）或高温换热器（5）到第二室温换热器（7）之间的各段软磁段软磁材料片的居里温度呈阶梯下降，形成多个热磁发电单元，将多个热磁发电单元的线圈串联或并联输出电功。
6.按权利要求书1或5所述的热声发动机驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述软磁材料片材质为铁及铁系合金，坡莫合金，铁氧体化合物或非晶态金属玻璃，其厚度小于2倍的软磁材料片热穿透深度，即其中κ为软磁材料的热扩散系数，ω为流体运动角频率，c为软磁材料比热容，ρ为软磁材料密度。
7.按权利要求书1所述的热声发动机驱动的热磁发电系统，其特征在于，所述线圈上通有直流电。
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