CN106286004B - 一种热声驱动的多相交流热磁发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热声驱动的多相交流热磁发电系统，包括多个基本单元，每个基本单元包括热声转换装置和热磁发电装置，热声转换装置包括依次连通的主水冷器、软磁体回热器、换热器、热缓冲管和谐振管；热磁发电装置包括导磁体、永磁体和线圈；软磁体回热器连接于所述导磁体上，以使热声转换装置与所述导磁体交叉设置；多个基本单元中的多个热声转换装置通过谐振管首尾相连形成声功传播的环路结构；多个基本单元中的多个热磁发电装置分别共用一个永磁体，并且多个热磁发电装置中的导磁体的两端均分别并排地连接于一个永磁体的两极上以构成多个并排的磁回路。本发明不仅可以提升系统的运行安全性，还可以进一步降低建设成本。

Description

一种热声驱动的多相交流热磁发电系统

技术领域

本发明涉及能源动力技术领域，特别指一种热声驱动的多相交流热磁发电系统。

背景技术

热磁现象是指软磁材料受热后温度超过居里点，由铁磁体变成顺磁体而使磁性发生极大变化的现象。利用这种现象，可以研制出热磁发电机(或热磁发动机)，将热能转化成电能(或机械能)。热磁发电与传统的发电方式相比，具有安静无噪音、运行稳定、发电量灵活调节等独特的优势，因而具有广阔的应用前景。当前国内外热磁发电系统均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。热声技术是指利用热声效应实现热能和声能之间相互转换的技术，基于热声技术运行的系统被称为热声热机。热声热机可分为两类，热声发动机(或热声压缩机)和热声制冷机。对于热声发动机而言，如果外界高温热源输入的热量使得热端温度超过一定临界值(通常在100～600℃之间)，系统将自发地产生周期性压力波动，即利用热量来产生高强度声波而无需借助于任何机械运动部件。近年来，随着国内外热声发动机的快速发展以及对交变流动认识的不断深入，利用热声发动机实现磁性材料的快速加热和冷却为热磁发电技术的进一步发展提供了可能。

中国专利公开号为CN102748255A提及一种多缸热磁热声发电系统，具有至少三个基本单元，每个所述基本单元包括热声转换装置、热磁发电装置和谐振装置，所述热声转换装置包括依次连通的主换热器、回热器和加热器；热磁发电装置包括导磁体、永磁体和线圈；永磁体安装在导磁体的端部；线圈绕设在导磁体的外部；谐振装置包括U型管及其内部的U型液柱；每个基本单元中的谐振装置的U型管的一端部与热声转换装置的加热器连通，每个基本单元中的谐振装置的U型管的另一端部与另一基本单元的主换热器连通。除U型液柱以外，没有任何的机械运动部件，结构简单，与现有技术相比，减少了生产制造成本，同时提高了使用寿命。该方案中由于采用液体振子谐振，质量惯性较大因而热声系统运行起来振动较大，同时系统的阻尼也较大，容易出现“消振”的现象，在振幅较大时，U型管内液体容易溢到发动机回热器内，对系统的安全性造成影响。此外，三个热磁发电单元各自独立使用永磁体，使得永磁体的利用率较低，降低了热磁材料的功率密度，不利于进一步降低系统的建设成本。

发明内容

本发明的目的是提出一种热声驱动的多相交流热磁发电系统，不仅可以提升系统的运行安全性，还可以进一步降低建设成本。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种热声驱动的多相交流热磁发电系统,包括多个基本单元，每个所述基本单元包括热声转换装置和热磁发电装置，其特征在于，

所述热声转换装置包括依次连通的主水冷器、软磁体回热器、换热器、热缓冲管和谐振管；所述热磁发电装置包括导磁体、永磁体和线圈，所述导磁体的两端分别连接于永磁体的两极上，所述线圈环绕于所述导磁体上；

所述软磁体回热器连接于所述导磁体上，以使所述热声转换装置与所述导磁体交叉设置；所述多个基本单元中的多个热声转换装置通过谐振管首尾相连形成声功传播的环路结构；所述多个基本单元中的多个热磁发电装置分别共用一个永磁体，并且多个热磁发电装置中的导磁体的两端均分别并排地连接于所述一个永磁体的两极上以构成多个并排的磁回路。

根据以上方案，所述热声转换装置还包括次水冷器，所述次水冷器连接于热缓冲管和谐振管之间。

根据以上方案，所述谐振管上还连接有直流抑制器，所述直流抑制器的两端分别连接于相邻二个热声转换装置的主水冷器和谐振管之间。

根据以上方案，所述导磁体包括的上弓形磁体和下弓形磁体，所述上弓形磁体的两端分别连接于永磁体和软磁体回热器的上侧，所述下弓形磁体的两端分别连接于永磁体和软磁体回热器的下侧，以使所述上弓形磁体和下弓形磁体上下对称地连接成磁回路。

根据以上方案，所述基本单元具有三个，并且三个基本单元中的三个热磁发电装置中的导磁体构成的多个磁回路中，相邻的二个磁回路之间的夹角为120度。

根据以上方案，所述三个基本单元中的三个热声转换装置中，相邻的二个热声转换装置之间的相位差为120度。

根据以上方案，所述软磁体回热器包括多个并排堆叠设置的平板状软磁片。

根据以上方案，所述软磁体回热器中的多个软磁片的居里温度沿声功传播方向呈阶梯上升的变化趋势。

根据以上方案，所述软磁体回热器中的多个软磁片的居里温度均小于所述换热器的温度。

根据以上方案，所述软磁体回热器的软磁材料为铁及铁系合金、铁氧体化合物或非晶态金属玻璃；所述热声转换装置中使用的气体工质为氦气、氮气或二氧化碳。

本发明的热磁发电系统，将热磁发电装置耦合在热声转换装置的软磁体回热器上构成一个基本单元，通过将多个基本单元中的热声转换装置串联起来组成环路结构，同时将多个基本单元中的热磁发电装置并联起来组成多个并行的磁回路，利用热声转换装置中气体的往复振荡，将换热器的低品位热能转化为电能输出，整个系统完全没有运动部件，结构简单。与现有技术相比，由于热声转换装置采用串联的环路结构，能有效避免因工质在振幅较大的情况下溢到软磁体回热器内而造成设备损坏的安全性故障，提升了设备的使用安全性。同时三个热磁发电装置共用一块永磁体，有效提高了永磁体利用率以及热磁材料的功率密度，进一步降低了系统的建设成本。

附图说明

图1是本发明的多个热声转换装置串联环路结构示意图；

图2是本发明的多个热磁发电装置并联磁回路结构示意图。

图中：1、主水冷器；2、软磁体回热器；3、换热器；4、热缓冲管；5、次水冷器；6、谐振管；7、直流抑制器；8、导磁体；9、永磁体；10、线圈；11、上弓形磁体；12、下弓形磁体。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

如图1和图2所示，本发明所述的一种热声驱动的多相交流热磁发电系统，包括多个基本单元，每个所述基本单元包括热声转换装置和热磁发电装置，所述热声转换装置包括依次连通的主水冷器1、软磁体回热器2、换热器3、热缓冲管4和谐振管6；所述热磁发电装置包括导磁体8、永磁体9和线圈10，所述导磁体8的两端分别连接于永磁体9的两极上，所述线圈10环绕于所述导磁体8上；所述软磁体回热器2连接于所述导磁体8上，以使所述热声转换装置与所述导磁体8交叉设置；所述多个基本单元中的多个热声转换装置通过谐振管6首尾相连形成声功传播的环路结构；所述多个基本单元中的多个热磁发电装置分别共用一个永磁体9，并且多个热磁发电装置中的导磁体8的两端均分别并排地连接于所述一个永磁体9的两极上以构成多个并排的磁回路。本发明的热磁发电系统，将热磁发电装置耦合在热声转换装置的软磁体回热器2上构成一个基本单元，通过将多个基本单元中的热声转换装置串联起来组成环路结构，同时将多个基本单元中的热磁发电装置并联起来组成多个并行的磁回路，利用热声转换装置中气体的往复振荡，将换热器3的低品位热能转化为电能输出，整个系统完全没有运动部件，结构简单。与现有技术相比，由于热声转换装置采用串联的环路结构，能有效避免因工质在振幅较大的情况下溢到软磁体回热器2内而造成设备损坏的安全性故障，提升了设备的使用安全性。同时三个热磁发电装置共用一块永磁体9，有效提高了永磁体9利用率以及热磁材料的功率密度，进一步降低了系统的建设成本。

优选地，所述热声转换装置还包括次水冷器5，所述次水冷器5连接于热缓冲管4和谐振管6之间，次水冷器5与主水冷器1分别在热声转换装置的换热部分两端，这样循环冷却水经过换热后可以形成室温端，在软件磁体回热器上形成更明显的温度梯度，以提升气体工质的自激振荡效果。所述谐振管6上还连接有直流抑制器7，所述直流抑制器7的两端分别连接于相邻二个热声转换装置的主水冷器1和谐振管6之间，直流抑制器7在相邻的热声转换装置之间抑制环路直流。

具体地，所述导磁体8包括的上弓形磁体11和下弓形磁体12，所述上弓形磁体11的两端分别连接于永磁体9和软磁体回热器2的上侧，所述下弓形磁体12的两端分别连接于永磁体9和软磁体回热器2的下侧，以使所述上弓形磁体11和下弓形磁体12上下对称地连接成磁回路，导磁体8可以采用硅钢片制作，而永磁体9则可以采用磁能积较大的汝铁硼或工作温度较高的钐钴磁体，或者也可以用通有直流电的电磁装置代替产生磁场，在不影响导磁性能的前提下，将导磁体8分为上下两部分进行组装，可以方便导磁体8与永磁体9及软磁体回热器2之间的连接安装操作。

所述软磁体回热器2包括多个并排堆叠设置的平板状软磁片，所述软磁体回热器2中的多个软磁片的居里温度沿声功传播方向呈阶梯上升的变化趋势，所述软磁体回热器2中的多个软磁片的居里温度均小于所述换热器3的温度。软磁体回热器2还可以采用线切割、电化学腐蚀等加工方法制作而成的板叠结构，为保证气体和软磁片之间良好的热接触，气体流道的水力直径应当小于气体在特定频率下的热穿透深度；为避免增加无效热容和减小软磁体回热器2的轴向导热，软磁材料特征尺寸应至少相当或小于其自身热穿透深度。软磁材料是指容易反复磁化，在外磁场不存在时易于退磁的材料。根据热磁现象，当软磁材料片温度在居里温度之下时，软磁材料片呈现磁导率很大的铁磁性，所述磁回路中的磁阻减小，线圈10中的磁通量增加；当软磁材料片温度在居里温度之上时，软磁材料片呈现磁导率很小的顺磁性，所述磁回路中的磁阻增大。优选地，所述软磁体回热器2的软磁材料为铁及铁系合金、坡莫合金、铁氧体化合物或非晶态金属玻璃，同时所述热声转换装置中使用的气体工质为氦气、氮气或二氧化碳等具有低Pr数(普朗特数)的气体工质。

本发明的多相交流热磁发电系统，可以包含多个基本单元，每个基本单元中的热声转换装置首尾相连串联构成声功传播环路，每个基本单元中的热磁发电装置的导磁体8并联在同一个永磁体9上，并且这个导磁体8与每个热声转换装置中的软磁体回热器2一一对应地耦合，构成由多个热磁发电装置组成的并联磁回路，不论是热声转换装置还是热磁发电装置，均以永磁体9为中心构成均匀的圆形阵列排布结构，最终形成多相交流发电系统。目前最为常用的是三相交流发电系统，下面以三相交流发电系统为例，对本发明进行说明。

三相交流发电系统中，按上述多相排列结构来进行布置，同样地以永磁体9为中心布置成圆形阵列，所述基本单元具有三个，并且三个基本单元中的三个热磁发电装置中的导磁体8构成的多个磁回路中，相邻的二个磁回路之间的夹角为120度。同样地，所述三个基本单元中的三个热声转换装置中，相邻的二个热声转换装置之间的相位差为120度。这样，每台热声转换装置可以一直工作在比较理想的行波声场中，其热声转换效率较高。

如图1和图2所示，图1和图2中均只标记了一个热声转换装置和一个热磁发电装置的详细组成，其它未标记的热声转换装置和热磁发电装置均与之相同。见图1，热声转换装置包括依次相连的主水冷器1、软磁体回热器2、换热器3、热缓冲管4、次水冷器5和谐振管6，谐振管6分别连接在第一个热声转换装置的次水冷器5和第二个热声转换装置的主水冷器1之间，同时在谐振管6和主水冷器1之间还连接直接抑制器。这样，三个热声转换装置组成声功传播的环路结构。见图2，热磁发电装置包括导磁体8、永磁体9和线圈10，所述导磁体8的两端分别连接于永磁体9的两极上，所述线圈10环绕于所述导磁体8上，同时三个热磁发电装置的导磁体8均连接在同一个永磁体9两极上，并且每个热声转换装置中的软磁体回热器2与每个热磁发电装置的导磁体8一一对应地进行耦合，这样三个热磁发电装置形成并联的三个磁回路。三相交流发电系统的三个基本单元的连接组成结构如上所述。

在工作过程中，换热器3吸收外界高温热源的热量形成高温端，主水冷器1和次水冷器5与循环冷却水换热形成室温端，从而在软磁体回热器2上形成温度梯度。在该温度梯度条件下，热声转换装置内的气体工质开始自激振荡，当气体在软磁体回热器2内由一端向另一端移动时，气体从固体壁面吸收热量，软磁体回热器2中的软磁片被冷却，使软磁片温度低于其居里温度而呈现磁导率很大的铁磁性，磁回路中的磁阻减小，使环绕于导磁体8上的线圈10中的磁通量增加；当气体反向移动时，气体向固体壁面释放热量，软磁体回热器2中的软磁片被加热，使软磁片的温度高于其居里温度而呈现磁导率很小的顺磁性，磁回路中的磁阻增大，使环绕于导磁体8上的线圈10中的磁通量减少。由于气体工质是周期性移动，使得线圈10中的磁通量也呈周期性变化，随着线圈10中的磁通量周期性变化，线圈10中便会产生感应电流，实现向外输出电能进行发电的效果。此外，在该温度梯度条件下，从谐振管传递过来的上一级热声转换装置中的声功被放大，声功沿着温度梯度的正方向传播，依次经过下一级热声转换装置，最后沿另一个谐振管传播到达更下一级的热声转换装置，可以有效提高声功的利用率，提升发电效率。因为三个基本单元中，三个热声转换装置的压力波和体积流相位分别相差120°，所以相邻两组热磁发电装置的线圈内磁通量变化相位总是相差120°，线圈感应产生的电流相位差为120°，满足三相交流发电的相位要求。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (9)

1.一种热声驱动的多相交流热磁发电系统，包括多个基本单元，每个所述基本单元包括热声转换装置和热磁发电装置，其特征在于，

所述热声转换装置包括依次连通的主水冷器、软磁体回热器、换热器、热缓冲管和谐振管；所述热磁发电装置包括导磁体、永磁体和线圈，所述导磁体的两端分别连接于永磁体的两极上，所述线圈环绕于所述导磁体上；

所述软磁体回热器连接于所述导磁体上，以使所述热声转换装置与所述导磁体交叉设置；所述多个基本单元中的多个热声转换装置通过谐振管首尾相连形成声功传播的环路结构；所述多个基本单元中的多个热磁发电装置分别共用一个永磁体，并且多个热磁发电装置中的导磁体的两端均分别并排地连接于所述一个永磁体的两极上以构成多个并排的磁回路；所述导磁体包括的上弓形磁体和下弓形磁体，所述上弓形磁体的两端分别连接于永磁体和软磁体回热器的上侧，所述下弓形磁体的两端分别连接于永磁体和软磁体回热器的下侧，以使所述上弓形磁体和下弓形磁体上下对称地连接成磁回路。

2.根据权利要求1所述的热声驱动的多相交流热磁发电系统，其特征在于，所述热声转换装置还包括次水冷器，所述次水冷器连接于热缓冲管和谐振管之间。

3.根据权利要求2所述的热声驱动的多相交流热磁发电系统，其特征在于，所述谐振管上还连接有直流抑制器，所述直流抑制器的两端分别连接于相邻二个热声转换装置的主水冷器和谐振管之间。

4.根据权利要求1所述的热声驱动的多相交流热磁发电系统，其特征在于，所述基本单元具有三个，并且三个基本单元中的三个热磁发电装置中的导磁体构成的多个磁回路中，相邻的二个磁回路之间的夹角为120度。

5.根据权利要求4所述的热声驱动的多相交流热磁发电系统，其特征在于，所述三个基本单元中的三个热声转换装置中，相邻的二个热声转换装置之间的相位差为120度。

6.根据权利要求1所述的热声驱动的多相交流热磁发电系统，其特征在于，所述软磁体回热器包括多个并排堆叠设置的平板状软磁片。

7.根据权利要求6所述的热声驱动的多相交流热磁发电系统，其特征在于，所述软磁体回热器中的多个软磁片的居里温度沿声功传播方向呈阶梯上升的变化趋势。

8.根据权利要求7所述的热声驱动的多相交流热磁发电系统，其特征在于，所述软磁体回热器中的多个软磁片的居里温度均小于所述换热器的温度。

9.根据权利要求1所述的热声驱动的多相交流热磁发电系统，其特征在于，所述软磁体回热器的软磁材料为铁及铁系合金、铁氧体化合物或非晶态金属玻璃；所述热声转换装置中使用的气体工质为氦气、氮气或二氧化碳。