CN106533119A - 单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，所述液态金属磁流体发电系统包括：单级回路行波热声发动机(1)，所述单级回路行波热声发动机(1)的谐振管(16)和容腔(17)之间设置一段呈U形的电绝缘管道，在电绝缘管道中充满液态金属工质并设置液态金属磁流体发电机(2)。相比于现有热声驱动磁流体发电系统，本发明提供的由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统中热声发动机的体积小、重量轻，能量密度高，起振、运行温度较低，更适合中低温温区热源的利用，同时发电系统的输出特性得到很好地改善，能更好地满足电力传输和用电设备的需求。
Description
技术领域
本发明涉及热声发电领域，特别涉及一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统。
背景技术
热声发动机是一种利用管件和换热器构建合适声场，并通过工作介质和回热器之间的相互作用将外部热能转化为声能的装置。作为一种新型外燃式热机，其具有无机械运动部件、可靠性高、寿命长和潜在热效率高等优点。根据热声转换的声场特性，热声发动机可分为行波热声发动机和驻波热声发动机。相比于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言，行波热声发动机基于可逆的斯特林循环，潜在热效率更高。
热声发电技术是将热声发电机与声电转换装置耦合而成的一种新型发电技术，是热声发动机的一个重要应用方向，目前主要的声电转化装置包括直线发电机、压电换能器、磁流体发电机(Magnetohydrodynamics，简称MHD)等。热声-直线发电机发电技术由于直线发电机中存在机械运动部件——活塞和电机动子等，严重削弱了热声系统的无运动部件这一高可靠性优势；热声-压电换能器发电系统中，由于压电换能器的高频振动特性，其更适合在高频下工作，仅适用于微小型热声发电系统的声电转换，且热电转换效率较低(<10％)；热声-磁流体发电机技术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而产生感应电动势，输出交流电能。相比于直线发电机和压电换能器，磁流体发电机中不存在机械运动部件，功率灵活且潜在效率高。
美国申请US4599551A公开了一种热声发动机驱动的磁流体交流发电系统，该系统利用两个对置的驻波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之间产生的磁场中运动，切割磁力线而产生感应电动势，利用安装在驻波发动机谐振管内壁上的平板电极对输出电能。该系统将热声发动机与磁流体发电机直接耦合在一起，结构相对简单，但该系统存在以下不足：第一，该系统中热声发动机亦采用液态金属磁流体作为工质，增加了系统的设计难度和制作成本；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kHz量级，与市电频率(50～60Hz)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高热导率造成严重的轴向导热损失，因而系统效率较低。
此后，中国专利CN101282074B提出了一种改进的热声液态磁流体发电系统，该系统将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，该管道放置在两个磁极之间，使得液态磁流体在管道中流动时切割磁力线产生电能。该系统中热声发动机的工质为气体工质，其相比采用液态金属磁流体作为工质的发动机结构更为简单，制作成本更低。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至市电频率，利于实际应用。此外，气体工质的热导率远低于液态金属工质，可有效减小轴向导热损失，提高系统效率。该热声液态磁流体发电系统的提出克服了美国申请US4599551A提出的系统中的不足，但该系统亦存在以下缺陷：一方面，该热声液态磁流体发电系统中使用的热声发动机为传统行波热声发动机，谐振管体积和重量大，谐振管损耗严重；另一方面，该热声液态磁流体发电系统具有大电流、小电压的输出特性，不能很好地满足电力传输和负载使用要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有热声驱动磁流体发电系统中热声发动机体积和重量大、谐振管损耗严重以及发电系统输出特性差的不足，提供一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统。
本发明将液态金属磁流体发电机耦合在利用容腔作为调相方式的单级回路行波热声发动机的谐振管内，通过热声效应将外部热源的热能转化为工作气体往复振荡的声能(机械能)，气体的往复振荡推动多层环形通道中的液态金属磁流体在磁场中往复运动，液态金属工质切割磁力线而产生感应电动势并输出交流电能，最终实现从热能到电能的持续、稳定转换。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其包括：单级回路行波热声发动机1，所述单级回路行波热声发动机1的谐振管16和容腔17之间设置一段呈U形的电绝缘管道，在电绝缘管道中充满液态金属工质并设置液态金属磁流体发电机2。
优选地，所述单级回路行波热声发动机1包括依次相连并形成行波回路的主室温端换热器11、回热器12、加热器13、热缓冲管14、次室温端换热器15、谐振管16和容腔17。
进一步优选地，容腔17为一段直径为谐振管16的直径2-5倍的空管道，位于行波回路的约1/4波长处或3/4波长处(以回热器12中部作为一完整声波长的起点)；所述容腔17作为单级回路行波热声发动机1的调相方式使发动机建立起合适的声场，可使回热器12处于行波占绝对主导的声场，同时亦提高谐振管16中的行波成分；所述单级回路行波热声发动机1的主室温端换热器11、回热器12、加热器13的横截面积均大于热缓冲管14、次室温端换热器15和谐振管16的横截面积，可降低回热器12内气体工质的振荡速度，进而提高回热器声阻抗，降低黏性损失。
优选地，所述液态金属磁流体发电机2包括环形内磁体21、环形外磁体22、至少N层环形磁流体发电通道、位于每一层环形磁流体发电通道内的一对平板电极对、位于环形磁流体发电通道轴向两端的发电机支架24和锥形导流器26；N为≥3的正整数。
所述环形内磁体21、至少N层环形磁流体发电通道、环形外磁体22同轴布置，环形内磁体21和环形外磁体22之间分布轴对称的径向匀强磁场；环形内磁体21轴向两端分别与两个锥形导流器26的底面固定连接，环形内磁体21径向外壁面与第一层环形磁流体发电通道231内环的径向内壁面固定连接，环形外磁体22径向内壁面与谐振管16的U形电绝缘管道外壁面固定连接。
本发明中所述N层环形磁流体发电通道沿谐振管16径向等间距分布，每一层环形磁流体发电通道壁面均由绝缘材料制成，环形磁流体发电通道的轴向与磁场方向垂直；每一层环形磁流体发电通道的径向固定有两个平板电极，平板电极为导电材料制成的薄平板，每一个平板电极的轴向长度和环形磁流体发电通道的轴向长度相等，平板电极的径向宽度与每一个环形磁流体发电通道的径向宽度相等；所述两个平板电极构成一个平板电极对，每一个环形磁流体发电通道中，两个平板电极的相背的两面分别与液态金属接触，相向的两面之间电绝缘；第一平板电极对的第一电极和第N平板电极对的第二电极分别与负载连接；相邻两个环形磁流体发电通道内的平板电极相互之间通过导线串联连接，连接方式为：第一平板电极对的第二电极与第二平板电极对的第一电极之间通过导线连接，第二平板电极对的第二电极与第三平板电极对的第一电极之间通过导线连接，……，第(N-1)平板电极对的第二电极与第N平板电极对的第一电极之间通过导线连接；电流导通路径为：第一平板电极对的第一电极、液态金属、第一平板电极对的第二电极、第二平板电极对的第一电极、液态金属、第二平板电极对的第二电极、第三平板电极对的第一电极、液态金属、第三平板电极对的第二电极、……、第N平板电极对的第一电极、液态金属、第N平板电极对的第二电极、负载。
进一步优选地，发电机支架24的个数为M根，M为≥3的正整数；所述发电机支架24为绝缘且不导磁材料制成的圆杆形支架，每根支架两端分别固定在环形内磁体21和环形外磁体22上。
所述单级回路行波热声发动机1中的气体工质为氦气、氮气或二氧化碳等，液态金属磁流体发电机2中的液态金属工质为低熔点金属或含低熔点金属的合金，优选镓、镓铟锡合金、Na-K合金等。
本发明利用单级回路行波热声发动机将外部热源的热能转化为工作气体往复振荡的声能(机械能)，气体的往复振荡推动U形电绝缘管道内液态金属在环形磁流体发电通道中沿轴向往复运动，液态金属切割磁力线而产生感应电动势，相邻两个环形磁流体发电通道内产生感应电动势方向相同，大小不等；电流通过环形磁流体发电通道内的平板电极对输出，根据右手定则，产生的感应电流方向沿环形磁流体发电通道的切向；通过将相邻发电通道内的平板电极相互之间通过导线串联连接，提高了液态金属磁流体发电机的总内阻和总输出电压，最终实现从热能到电能的持续、稳定转换。
本发明的由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统的优点在于：结构紧凑、无机械运动部件、可靠性高、功率灵活、潜在效率高等诸多优点，在太阳能、生物质能、余热和废热回收等领域具有广阔的应用前景。
相比于现有热声驱动磁流体发电系统，本发明提供的单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统中热声发动机的体积和重量小、能量密度高，起振、运行温度较低，更适合中低温温区热源的利用，同时发电系统的输出特性得到很好地改善，能更好地满足电力传输和用电设备的需求。
附图说明
图1是本发明实施例1中的由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统结构示意图；
图2是图1中的液态金属磁流体发电机内部结构示意图；
图3是图1中的液态金属磁流体发电机外部结构示意图；
图4中图3中A-A向的截面图；
图5是本发明实施例1中的液态金属磁流体发电机工作原理示意图。
附图标记：1、单级回路行波热声发动机；2、液态金属磁流体发电机；11、主室温端换热器；12、回热器；13、加热器；14、热缓冲管；15、次室温端换热器；16、谐振管；17、容腔；21、环形内磁体；22、环形外磁体；231、第一层环形磁流体发电通道；232、第二层环形磁流体发电通道；233、第三层环形磁流体发电通道；24、发电机支架；251-1、第一平板电极对的第一电极；251-2、第一平板电极对的第二电极；252-1、第二平板电极对的第一电极；252-2、第二平板电极对的第二电极；253-1、第三平板电极对的第一电极；253-2、第三平板电极对的第二电极；26、锥形导流器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明的由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统将液态金属磁流体发电机耦合在利用容腔作为调相方式的单级回路行波热声发动机的谐振管内，通过热声效应将外部热源的热能转化为工作气体往复振荡的声能(机械能)，气体的往复振荡推动多层环形通道中液态金属在磁场中往复运动，液态金属切割磁力线而产生感应电动势，通过将相邻发电通道内的平板电极相互之间通过导线串联连接，提高了液态金属磁流体发电机的总输出电压和总内阻，最终实现从热能到电能的持续、稳定转换。
如图1、图2、图3和图4所示，一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统结构示意图，其包括：单级回路行波热声发动机1，所述单级回路行波热声发动机1的谐振管16和容腔17之间设置一段呈U形的电绝缘管道，在电绝缘管道中充满液态金属工质并设置液态金属磁流体发电机2。
所述单级回路行波热声发动机1包括依次相连并形成行波回路的主室温端换热器11、回热器12、加热器13、热缓冲管14、次室温端换热器15、谐振管16和容腔17；容腔17为一段直径为谐振管16的直径2-5倍的空管道，位于以回热器12中部为起点的行波回路的1/4波长处；所述单级回路行波热声发动机1的主室温端换热器11、回热器12、加热器13的横截面积均大于热缓冲管14、次室温端换热器15和谐振管16的横截面积。
所述液态金属磁流体发电机2包括环形内磁体21，环形外磁体22，3个环形磁流体发电通道(为简化分析，本实施例以3层环形磁流体发电通道为例，由内向外依次分别编号231、232、233)，位于每一层环形磁流体发电通道内的一对平板电极对，位于环形磁流体发电通道轴向两端的发电机支架24和锥形导流器26。
所述环形内磁体21、3层环形磁流体发电通道、环形外磁体22同轴布置，环形内磁体21和环形外磁体22之间分布轴对称的径向匀强磁场；环形内磁体21轴向两端分别与两个锥形导流器26的底面固定连接，环形内磁体21径向外壁面与第一层环形磁流体发电通道231内环的径向内壁面固定连接，环形外磁体22径向内壁面与谐振管16的U形电绝缘管道外壁面固定连接。
3层环形磁流体发电通道沿谐振管16径向等间距分布，每一层环形磁流体发电通道壁面均由绝缘材料制成，环形磁流体发电通道的轴向与磁场方向垂直；每一个环形磁流体发电通道的径向固定有两个平板电极，平板电极为导电材料制成的薄平板，每一个平板电极的轴向长度和环形磁流体发电通道的轴向长度相等，平板电极的径向宽度与每一层环形磁流体发电通道的径向宽度相等；所述两个平板电极构成一个平板电极对，每一层环形磁流体发电通道中，两个平板电极的相背的两面分别与液态金属接触，相向的两面之间电绝缘；第一平板电极对的第一电极251-1和第三平板电极对的第二电极253-2分别与负载连接；相邻两个环形磁流体发电通道内的平板电极相互之间通过导线串联连接，连接方式为：第一平板电极对的第二电极251-2与第二平板电极对的第一电极252-1之间通过导线连接，第二平板电极对的第二电极252-2与第三平板电极对的第一电极253-1之间通过导线连接；电流导通路径为：第一平板电极对的第一电极251-1、液态金属、第一平板电极对的第二电极251-2、第二平板电极对的第一电极252-1、液态金属、第二平板电极对的第二电极252-2、第三平板电极对的第一电极253-1、液态金属、第三平板电极对的第二电极253-2、负载。
3根发电机支架24分别位于所述3层环形磁流体发电通道的轴向两端，所述发电机支架24为绝缘且不导磁材料制成的圆杆形支架，每根支架两端分别固定在环形内磁体21和环形外磁体22上。
下面具体说明本实施例提供的由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统的工作过程：
所述单级回路行波热声发动机的加热器13吸收外界热源热量，所述外界热源可为太阳能集热器采集的热能、生物质燃烧的热能等可再生能源，亦可为工业余热废热等低品位热源。所述主室温端换热器11与循环冷却水换热形成室温端，从而在回热器12内形成温度梯度，当回热器12达到临界温度梯度时，所述单级回路行波热声发动机便自激起振产生往复振荡的压力波动，回热器12持续地将外界热源热能转化成声能(机械能)，特别地，容腔17可调节回路中的声场，使回热器12中行波分量占绝对主导，降低所述单级回路行波热声发动机的起振温度和粘性损耗。声功的传播方向沿着温度梯度的正方向，先传递到热缓冲管14、次室温端换热器15和容腔17，然后到达谐振管16的U形电绝缘管道，推动U形电绝缘管道内液态金属在环形磁流体发电通道中沿轴向往复运动。剩余声功沿着回路传递到主室温换热器11，然后通过回热器12再次放大，循环往复。
图5是本发明实施例中的液态金属磁流体发电机工作原理示意图，当液态金属在环形磁流体发电通道中沿轴向往复运动时，液态金属切割磁力线而产生感应电动势，相邻两个环形磁流体发电通道内产生感应电动势方向相同，大小不等；电流通过环形磁流体发电通道内的平板电极对输出，根据右手定则，产生的感应电流方向沿环形磁流体发电通道的切向。
假设环形内磁体21的外径为r1，环形外磁体22的内径为r2，忽略3层环形磁流体发电通道(231、232、233)的壁面厚度以及各层环形磁流体发电通道内平板电极对所占的空间，则该液态金属磁流体发电机的输出电压为
其中：分别是环形磁流体发电通道231、环形磁流体发电通道232、环形磁流体发电通道233的电极间距，B为磁感应强度，v为环形磁流体发电通道内液态金属的轴向流动速度。
该液态金属磁流体发电机的总内阻为
其中：r2-r1为有效磁间距，L为电极轴向长度，σ为液态金属电导率。
对于具有相同有效磁间距、相同电极轴向长度、相同发电通道宽度、相同液态金属轴向流动速度的矩形截面液态金属磁流体发电机，其输出电压为U′total＝2πr2Bv，发电机的总内阻为最后得到可见，通过将相邻环形磁流体发电通道串联连接，提高了液态金属磁流体发电机的总输出电压和总内阻，最终实现从热能到电能的持续、稳定转换。
通过上述表述可以看出，相比于现有热声驱动磁流体发电系统，本发明提供的由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统中热声发动机的体积小、重量轻，能量密度高，起振、运行温度较低，更适合中低温温区热源的利用，同时发电系统的输出特性得到很好地改善，能更好地满足电力传输和用电设备的需求。本发明具有结构紧凑、无机械运动部件、可靠性高、功率灵活、潜在效率高等优点，在太阳能利用、生物质能利用、余热和废热回收等领域具有广阔的应用前景。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述液态金属磁流体发电系统包括：单级回路行波热声发动机(1)，所述单级回路行波热声发动机(1)的谐振管(16)和容腔(17)之间设置一段呈U形的电绝缘管道，在电绝缘管道中充满液态金属工质并设置液态金属磁流体发电机(2)。
2.根据权利要求1所述的一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述单级回路行波热声发动机(1)还包括主室温端换热器(11)、回热器(12)、加热器(13)、热缓冲管(14)、次室温端换热器(15)，主室温端换热器(11)、回热器(12)、加热器(13)、热缓冲管(14)、次室温端换热器(15)、谐振管(16)和容腔(17)依次相连并形成行波回路。
3.根据权利要求2所述的一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述主室温端换热器(11)、回热器(12)、加热器(13)的横截面积均大于热缓冲管(14)、次室温端换热器(15)和谐振管(16)的横截面积。
4.根据权利要求1所述的一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，容腔(17)为一段直径为谐振管(16)的直径2-5倍的空管道，在以回热器(12)中部作为一完整声波长的起点时，容腔(17)位于行波回路的1/4波长处或3/4波长处。
5.根据权利要求1所述的一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述液态金属磁流体发电机(2)包括环形内磁体(21)、环形外磁体(22)、至少N层环形磁流体发电通道、位于每一层环形磁流体发电通道内的一对平板电极对、位于环形磁流体发电通道轴向两端的发电机支架(24)和锥形导流器(26)；N为≥3的正整数。
6.根据权利要求5所述的一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述环形内磁体(21)、至少N层环形磁流体发电通道、环形外磁体(22)同轴布置，环形内磁体(21)和环形外磁体(22)之间分布轴对称的径向匀强磁场；环形内磁体(21)轴向两端分别与两个锥形导流器(26)的底面固定连接，环形内磁体(21)径向外壁面与第一层环形磁流体发电通道(231)内环的径向内壁面固定连接，环形外磁体(22)径向内壁面与谐振管(16)的U形电绝缘管道外壁面固定连接。
7.根据权利要求5所述的一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述至少N层环形磁流体发电通道沿谐振管(16)径向等间距分布，每一层环形磁流体发电通道壁面均由绝缘材料制成，环形磁流体发电通道的轴向与磁场方向垂直；每一层环形磁流体发电通道的径向固定有两个平板电极，平板电极为导电材料制成的薄平板，每一个平板电极的轴向长度和环形磁流体发电通道的轴向长度相等，平板电极的径向宽度与每一个环形磁流体发电通道的径向宽度相等；所述两个平板电极构成一个平板电极对，每一个环形磁流体发电通道中，两个平板电极的相背的两面分别与液态金属接触，相向的两面之间电绝缘；第一平板电极对的第一电极和第N平板电极对的第二电极分别与负载连接；相邻两个环形磁流体发电通道内的平板电极相互之间通过导线串联连接，连接方式为：第一平板电极对的第二电极与第二平板电极对的第一电极之间通过导线连接，第二平板电极对的第二电极与第三平板电极对的第一电极之间通过导线连接，……，第N-1平板电极对的第二电极与第N平板电极对的第一电极之间通过导线连接；电流导通路径为：第一平板电极对的第一电极、液态金属、第一平板电极对的第二电极、第二平板电极对的第一电极、液态金属、第二平板电极对的第二电极、第三平板电极对的第一电极、液态金属、第三平板电极对的第二电极、……、第N平板电极对的第一电极、液态金属、第N平板电极对的第二电极、负载。
8.根据权利要求5所述的一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述发电机支架(24)的个数为M根，M为≥3的正整数；所述发电机支架(24)为绝缘且不导磁材料制成的圆杆形支架，每根支架两端分别固定在环形内磁体(21)和环形外磁体(22)上。
9.根据权利要求1所述的一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述单级回路行波热声发动机(1)中的气体工质为氦气、氮气或二氧化碳，液态金属工质为低熔点金属或含低熔点金属的合金。
10.根据权利要求9所述的一种由单级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述低熔点金属为镓；所述含低熔点金属的合金为镓铟锡合金或Na-K合金。
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