CN112290832A - 热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置及发电方法，其中热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置包括热源加热炉、高温换热器、梯形热电材料棒、小型辅助冷却器、外伸电极、外输电联接器、梯级（电）磁铁装置、外输电路，将梯形热电材料棒的一端通过热源加热炉和高温换热器对其加热，形成高温端，梯形热电材料棒的另一端设置小型辅助冷却器，形成低温端，使梯形热电材料棒两端产生温差，将高温端、低温端分别连接外伸电极和外输电联接器，两个外输电联接器与外输电路连接。本发明实现了均匀递减的磁场工艺，温磁双梯度高效直电工艺，热温磁形四梯度高效直电发电工艺,外磁场强度变化与高低温梯度相耦合，达到节材料节能的目的。

Description

热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置及发电方法

技术领域

本发明涉及热静电发电技术，具体涉及热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置及发电方法。

背景技术

电力能源是目前应用最广、使用最方便的能源。因此，人们都在研究如何环保、高效、低成本地把其他形式的能源（如煤油气等化石能源、风能、光能、水力能、海洋能、地热能、生物质能等能源）转化为电能。

目前大多数电能来自于热能。而热能转化为电能的工艺方法还是采用比较传统、过程复杂、设备体系庞大的中介汽化动力工艺。基本通用流程为：1、生产热能（化石能源煤油气等燃料、热核反应堆热量及地热等）；2、加热升温中间汽化介质（水、氨水等易汽化介质）；3、中间介质汽化膨胀形成动力对外做功；4、汽轮机把蒸汽膨胀动能转化为旋转动力能量；5、旋转轴带动发电机转子产生电能。

以上通用的热电转换模式不仅转换效率低（难以超过40%），而且工艺复杂、设备多、高压容器危险、运动动力设备多、安全可靠性低、占地房屋大、投资巨大、腐蚀磨损维修量大、生产运行时率低等众多不利因素。

无中间汽化介质、无运动设备、无噪音、体积小的高效热静发电技术（相对于热动发电技术）已显得十分重要，具有紧迫性。热静发电的基本技术原理与热电效应为：在材料棒一端加热，棒的两端有温差且连接不同材料的导体，此时棒两端产生电位差及电流的现象。目前公认的有三种热电效应：

1821年德国科学家赛贝克（seebeck）发现的第一热电效应；

1834年法国科学家珀尔帖（Peltier）发明的第二热电效应（也是第一热电效应的逆效应）；

1850年汤姆逊（Thomson）发明的第三热电效应。

近几十年来，热电材料从金属材料发展到半导体材料；从晶体材料发展到“声子玻璃电子晶体”材料；再发展到细晶化及纳米化的较高ZT优值的热电材料；从同性材料向各向异性材料发展；从高维数向低维数材料发展，发现了零维材料具有量子尺寸效应的量子点，ZT优值从约1.0提高到3.5。但与工业化应用所要求的ZT优值5以上相差还是巨大。热电效应也难以超过5%，几乎没能超过10%的结果。

目前热静电发电ZT优值低下的主要原因：

按照目前的传统研究方向。根据seebeck第一热电效应，Peltier第二热电效应以及Thomson第三热电效应。要想得到高ZT优值的热电材料，在理论及实验上都存在很明显的相互矛盾要求。

按照ZT优值公式

式中 S—Seebeck系数,

—电导率

k—热导率，T—温度

目前大多数材料的导电性高其导热性也高。而上述ZT优值公式，却要求材料的导电性高但导热性要低，这通常是一对矛盾要求。仅从材料自身的组成及结构很难满足这种矛盾要求。这也是几十年来科学家们想尽各种技术方法却很难把ZT优值提高到理想程度的主要原因。

因温差热电材料直电技术中遇到材料ZT优值难以提高的“高导电低导热”的矛盾要求。几十年来，虽然理论及实验研究有一定进步，但与实用性工业化要求还有较大差距。

目前主要的热磁电机类型有静止式、旋转式、往复式及磁流体式。从效果上看，此方法还是宏观上的线圈内磁通的电磁效应，也是一种热力学第一定律的热—磁卡诺循环做功方式。磁变热电技术热电效率很低，一般小于0.1%，达到3%也很少，还比不上没有磁场的单一热温差材料直电效率。

发明内容

本发明的一个目的是提供热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置，这种热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置用于解决目前磁热变电技术的发电效率低的问题，本发明的另一个目的是提供热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置的发电方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置包括热源加热炉、高温换热器、梯形热电材料棒、小型辅助冷却器、外伸电极、外输电联接器、梯级（电）磁铁装置、外输电路，将梯形热电材料棒的一端通过热源加热炉和高温换热器对其加热，形成高温端，梯形热电材料棒的另一端设置小型辅助冷却器，形成低温端，使梯形热电材料棒两端产生温差，梯形热电材料棒外设置电绝缘层，电绝缘层外设置绝热保温层，梯形热电材料棒从高温端到低温端方向的截面积逐渐变小，且高温端厚度大于低温端厚度，将高温端、低温端分别连接外伸电极和外输电联接器，两个外输电联接器与外输电路连接，外伸电极的材料与梯形热电材料棒材料为电位异性；梯级(电)磁铁装置横截面为弧形，使梯形热电材棒的周向产生环形磁力线，梯级(电)磁铁装置的轴向切面积逐渐变小，且其与高温端相对应的一端厚度大于其与低温端相对应一端的厚度。

热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置的发电方法：

将梯形热电材料棒的一端加热，形成高温热电材料棒，梯形热电材料棒通过小型辅助冷却器冷却，使梯形热电材料棒两端产生温差，空间上温度是变化的，存在温度差异，形成温度梯度;

梯形热电材料棒两端产生电压，此时沿高温热电材料棒垂直方向施加周向环形外磁场，则在高温热电材料棒垂直方向上得到附加电压，产生霍尔电压现象，提高高温热电材料棒的电动势；对于确定材料的梯形热电材料棒，不同的温度对应不同磁强度的优化匹配，周向环形外磁场沿温度梯度方向也是梯度变化的;

热流量在梯形热电材料棒流动过程中不断被转化为电能，热流量从梯形热电材料棒高温端向低温端扩散过程中，热量值是逐渐减少的，形成热流量梯度；

梯形热电材料棒横截面积自高温端至低温端逐渐变小，形成梯度材料；

由于外加磁场强度与材料温度及材料截面积大小相匹配，磁场强度也设计为梯度分布的；

梯形热电材料棒的原子出现不规则混乱振动，当外部环境施加强磁场时，在磁感应力作用下，将强制限制不规则振动原子自身磁矩的混乱状态，从而强制其按一定方向有序排列，形成一定规则的磁畴；外部强磁场强制高温材料的磁化，从而抑制了原子的混乱振动，降低高温热电材料棒温度，即磁消热效应；

梯形热电材料棒中的原子及电子在磁场中做往复运动，每一个振动循环都将提高一次电子的能级，当电子能级高到一定程度时，电子将脱离原子核的束缚向低能级环境运行，产生量子化跃迁效应，磁场中所有的原子电子的能级变化均以此类推，形成了电子的定向流动，形成热振动磁增电的量子化现象，也可称为热磁共振效应；

涡旋磁力线中的粒子热振动将产生安培电流，而该电流在磁场的作用下又将产生与粒子热振动方向相反的电磁阻力，从而抑制了粒子热振动，形成热阻降温效果；

磁场的强制磁化，使热振动引起的原子及电子磁矩杂乱现象被强制统一到外磁场方向，由原来的升温消磁居里温度现象转变为升磁消热增电的热电效应；

磁化电流的表面效应，梯形热电材料棒周围的环形磁力线在高温热电材料棒表面纵向上形成右手法则的磁化电流，磁温差发电电流通过外伸电极向外输电。

上述方案中外输电联接器通过导线与外输电路连接，导线上设置电负荷电流表、电压表。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明首次提出了第四热电效应——“热磁电效应”， 利用“热磁电效应”，把传统的加热中间介质汽化膨胀动力发电工艺转变成无动力设备、无噪音、设备少、占地少、投资少、维修少、成本低、环保、安全、高效热电直接转换的新工艺。

2、本发明提出了热磁电转换相关的四个新工艺技术：

居里温度逆效应工艺技术—“磁阻尼”效应，“磁阻热降温效应”工艺技术，利用外加强磁场可以冷却高温铁磁材料。

霍尔电压的温差效应工艺技术，在存在温差的材料棒上施加强磁场，则会在温差材料棒上产生附加电压。

振动磁涡增能发电效应工艺技术，往复振动的原子电子在磁旋窝场中振动一个循环回到原始点，此磁强度的环积分不为零（而在位势场的电场中其环积分恒等于零）。当电子能级升高到超过原子核的束缚能时，此电子将脱离轨道流向低能级区。从而产生电子的定向流动。符合“右手法则”的安培环路电流定律。

磁化电流的表面效应，材料棒周围的环形磁力线在材料表面纵向形成“右手法则”的磁化电流现象。

3、本发明提出的“热磁电效应”正好可实现热阻降温效果及导电增能效果，此项工艺技术从根本上解决了“导电阻热”的矛盾要求。

4、本发明不仅从热电材料自身做研究，而且还要从材料之外的环境搞创新，用外部环境磁化因素对材料自身的导热性及导电性产生相反性干涉，从而解决材料高导电及低导热的矛盾要求。

5、本发明实现了均匀递减的磁场工艺，温磁双梯度高效直电工艺，热温磁形四梯度高效直电发电工艺。

6、长条（电）磁铁的横截面应选用弧形，以使梯形（或锥形）热电材棒的周向产生环形（弧形）磁力线，按照安培环流定律的右手法则，有利于在材料棒上形成温差方向的安培电流。因磁场强度要大于“居里温度”对应的磁强度，热电材棒的高温端所要求的磁化强度也大，反之，热电材料的低温端所要求的磁化强度也小。因此外磁场强度变化与高低温梯度相耦合，也显现梯度形磁场分布，形成“温热磁形四梯度耦合高效直电”装置结构，达到节材料节能高效的目的。

附图说明

图1是热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置。

图中：1热源加热炉；2高温换热器；3梯形热电材料棒；4绝热保温层； 5电绝缘层；6小型辅助冷却器；7外伸电极；8外输电联接器；9梯级（电）磁铁装置；10外输电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1所示，这种热磁高效直接静发电方法为：

这种热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置包括热源加热炉1、高温换热器2、梯形热电材料棒3、小型辅助冷却器6、外伸电极7、外输电联接器8、梯级（电）磁铁装置9、外输电路10，将梯形热电材料棒3的一端通过热源加热炉1和高温换热器2对其加热，形成高温端，梯形热电材料棒3的另一端设置小型辅助冷却器6，形成低温端，使梯形热电材料棒3两端产生温差，梯形热电材料棒3外设置电绝缘层5，防止电流损失及漏电安全防护，电绝缘层5外设置绝热保温层4，以防止热量向外散失，梯形热电材料棒3从高温端到低温端方向的截面为逐渐变小，将高温端、低温端分别连接外伸电极7和外输电联接器8，两个外输电联接器8与外输电路10连接，外伸电极7的材料与梯形热电材料棒3材料为电位异性，按照热电材料理论中seebeck第一热电效应，连接主热电材料（棒）的循环电路材料必须与主材料是电位异性，即一个是P型（positive），另一个必须是N型（negative）。既起到“P-N”结的作用又承担电极作用。

梯级电磁铁装置横截面为弧形，使梯形热电材棒3的周围向产生环形磁力线，梯级（电）磁铁装置9的横截面积逐渐变小，且其与高温端相对应的一端厚度大于其与低温端相对应一端的厚度。长条（电）磁铁的横截面应选用弧形，以使梯形（或锥形）热电材棒的周向产生环形（弧形）磁力线，按照安培环流定律的右手法则，有利于在材料棒上形成温差方向的安培电流。

热源加热炉1可以选用任何种类的热源、燃煤、燃油、燃气、生物质热、核能热、地热、火山热、温泉余热、工业余热、太阳能热、海水温差及化学热等所有热源。即通用热源发电原则。

高温换热器2，在高温端的换热器，通过较高的面容比，把热源热传递给梯形（锥形）热电材料的高温端。

梯形热电材料棒3，由于热电的转换，热量值从高温端向低温度过程中其热量值是不恒定的，而是逐渐减少的（减少的热量被转化为电能）。所以若继续使用等径棒材将是一种低效浪费的工况。因此，使用逐渐变小的梯形（或锥形）热电材料棒达到热流量密度等效原则。

小型辅助换热器6，（低温端小型辅助换热器）热电材料的温差有利于电子能级在异种材料界面的能级跃迁。即有利于载流子（空载或电子）的流动。在发电装置运行初期，可用此辅助小型换热器6辅助磁化降温，以很快进入温差稳态发电工况。而且在发电运行期间，当磁控温系统出现问题时，该换热器也能立即工作，起到可靠的散热调温作用，即温差安全保证原则。

热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置的发电方法：

将梯形热电材料棒3的一端加热，形成高温热电材料棒，梯形热电材料棒3通过小型辅助冷却器6冷却，使梯形热电材料棒3两端产生温差，空间上温度是变化的，存在温度差异，形成温度梯度;

梯形热电材料棒3两端产生电压，此时沿高温热电材料棒垂直方向施加周向环形外磁场，则在高温热电材料棒垂直方向上得到附加电压，产生霍尔电压现象，提高高温热电材料棒的电动势；对于确定材料的梯形热电材料棒3，不同的温度对应不同磁强度的优化匹配，周向环形外磁场沿温度梯度方向也是梯度变化，逐步减小的；

热流量在梯形热电材料棒3流动过程中不断被转化为电能，热流量从梯形热电材料棒3高温端向低温端扩散过程中，热量值是逐渐减少的，形成热流量梯度；

梯形热电材料棒3横截面积自高温端至低温端逐渐变小，形成梯度材料；

梯形热电材料棒3的原子出现不规则混乱振动，当外部环境施加强磁场时，在磁感应力作用下，将强制限制不规则振动原子自身磁矩的混乱状态，从而强制其按一定方向有序排列，形成一定规则的磁畴；外部强磁场强制高温材料的磁化，从而抑制了原子的混乱振动，降低高温热电材料棒温度，即磁消热效应；

梯形热电材料棒3中的原子及电子在磁场中做往复运动，每一个振动循环都将提高一次电子的能级，当电子能级高到一定程度时，电子将脱离原子核的束缚向低能级环境运行，产生量子化跃迁效应，磁场中所有的原子电子的能级变化均以此类推，形成了电子的定向流动，形成热振动磁增电的量子化现象；

涡旋磁力线中的粒子热振动将产生安培电流，而该电流在磁场的作用下又将产生与粒子热振动方向相反的电磁阻力，从而抑制了粒子热振动，形成热阻降温效果；

磁场的强制磁化，使热振动引起的原子及电子磁矩杂乱现象被强制统一到外磁场方向，由原来的升温消磁居里温度现象转变为升磁消热增电的热电效应；

磁化电流的表面效应，梯形热电材料棒3周围的环形磁力线在高温热电材料棒表面纵向上形成右手法则的磁化电流，磁温差发电电流通过外伸电极7向外输电。

热磁电直转的基本原理

热是微观粒子（分子、原子等）不规则振动的表现，是一种微观振动动力能量。当对其施加强磁场时，将出现下列振动磁电现象：

1、如果外加磁场强度超过其“居里温度”对应的消磁强度，则振动粒子（分子、原子、电子等）在磁矩磁化下将被强制重新排列，原子磁矩及电子磁矩等将形成统一方向的铁磁现象。同时微观粒子的不规则振动现象也受到抑制，材料体的温度也随之下降。这就是“居里温度”效应（热消磁）的逆效应、“磁消热效应”。为热振动能的降温转化成电势能打下基础。

2、涡旋磁场能级跃进效应

电场是位势场，移动一圈回到原点，其电场强度环积分永远为零。而磁场是涡旋场，粒子移动（振动）一圈回到原点后其磁场强度的环积分不为零，即电子的能级提高了，出现热磁（共振）效应，在不断的热振动中当电子能级超过原子核束缚力时，该电子将脱离原子核而流向低能级区域，出现了电子能级跃进流动现象。为形成电势能的电流流动打下基础。

3、磁化电流效应

周向环形磁场可在材料表层感应出磁化电流，电流方向符合安培环路定律的右手法则。

4、电流磁增压的“霍尔电压”效应

按照seebeck第一热电效应，当金属（或半导体等）材料棒两端存在温差时，由于位置区域能级的差距，将产生电动势而形成电流。

此时若用外磁场对材料棒中的电流施加洛伦兹电磁力，则在材料棒的横向将产生被称为“霍尔电压”的附加电压，这为电动势的提高打下基础。

5、ZT优值的热磁效应

热电材料中最重要得参数之一是较高的ZT优值。几十年来无数科学家进行了大量繁重的研究与实验，但在效果上还没取得明显的突破性成果，ZT优值很难超过3.5，更不用说工业化要求的5以上。分析其主要原因可知，用常规思路大幅提高ZT优值是很难达到的。因为提高ZT优值的条件是一对明显对立矛盾的要求，即热电材料同时具备高导电性及低导热性。因此，仅靠热电材料的内因是难以大幅度提高ZT优值，本发明在材料的外部环境寻找解决方法。

磁可消温阻热、磁可增能增电。因此，很好地同时解决了热电材料的阻热导电性。

综上，热磁直电发电中，材料的温度分布变化数值与外加磁场的分布变化数值必须有一定关联匹配性。可称为“温磁”配性。

1、外加磁场强度应大于该“居里温度”消磁效应所对应的磁场强度，但也不易太大，也应考虑成本及效率问题。

2、因材料棒的热源端温度高，远端温度低，空间上温度是变化的，存在温度差异，形成温度梯度。

3、因对于确定的热电材料，不同的温度对应不同磁强度的优化匹配，所以，外加磁场沿温度梯度方向也应是梯度变化的。这就产生了温磁双梯耦合热电直转新工艺。

4、因热流量在流动过程中不断被转化为电能，其热流量是逐渐变小形成热流量梯度。

5、由于温度梯度、热流梯度、磁场梯度的实现，为了提高热电材料利用率，现要求材料横截面积应逐渐变小，形成梯锥形材料。从而，达到四梯度设计原则。

热温磁形梯级耦合高效热电直转发电实施例：

1、用不同种类的金属导体及导线与锥形热电材料棒两端相联接。

2、在导线上加入电负荷电流表、电压表等测量仪器。

3、沿热电材料棒间隔分布多个测温点。

4、沿锥形热电材料板划分出多段分区，在每个分区段上施加不同的对应该段温度的“居里温度”消磁现象以上的磁场强度。也可采用梯级弧形（电）磁（铁）装置。

5、在热电材料棒的一端施加一定热量的热源，在另一端施加辅助散热器（当磁控温的温度梯度稳定后可以断开辅助散热器，以减少热量散失，提高热能利用率）。

6、在已知供给热量、测量温度梯度，确定并测量磁场强度，然后记录电压表及电流表读数。

7、计算热电直转发电效率，发电功率与供热功率之比。

8、改变供热量，重复上述3-7的实验步骤。

9、供热量不变，改变温度梯度及对应磁场梯度，完成步骤6-7.

10、主动改变磁场强度及梯度，完成步骤6-7。

11、外加磁场移除，即无磁场作用时的热电转换测量。以此作为基础对比指标。

12、绘制不同工况下热磁电直转效率曲线变化图，并进行对比分析，找出热温磁形双梯级耦合高效直电优化工况。

13、该实施例数据也为热磁电理论数学模型的求解打下基础。

Claims (3)

1.一种热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置，其特征在于：

这种热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置包括热源加热炉（1）、高温换热器（2）、梯形热电材料棒（3）、小型辅助冷却器（6）、外伸电极（7）、外输电联接器（8）、梯级电磁铁装置、外输电路（10），将梯形热电材料棒（3）的一端通过热源加热炉（1）和高温换热器（2）对其加热，形成高温端，梯形热电材料棒（3）的另一端设置小型辅助冷却器（6），形成低温端，使梯形热电材料棒（3）两端产生温差，梯形热电材料棒（3）外设置电绝缘层（5），电绝缘层（5）外设置绝热保温层（4），梯形热电材料棒（3）从高温端到低温端方向的截面积逐渐变小，且高温端厚度大于低温端厚度，将高温端、低温端分别连接外伸电极（7）和外输电联接器（8），两个外输电联接器（8）与外输电路（10）连接，外伸电极（7）的材料与梯形热电材料棒（3）材料为电位异性；梯级电磁铁装置横截面为弧形，使梯形热电材棒的周向产生环形磁力线，梯级电磁铁装置的轴向切面积逐渐变小，且其与高温端相对应的一端厚度大于其与低温端相对应一端的厚度。

2.根据权利要求1所述的热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置，其特征在于：所述的外输电联接器（8）通过导线与外输电路（10）连接，导线上设置电负荷电流表、电压表。

3.一种权利要求1或2所述的热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置的发电方法，其特征在于：

将梯形热电材料棒（3）的一端加热，形成高温热电材料棒，梯形热电材料棒（3）通过小型辅助冷却器（6）冷却，使梯形热电材料棒（3）两端产生温差，空间上温度是变化的，存在温度差异，形成温度梯度;

梯形热电材料棒（3）两端产生电压，此时沿高温热电材料棒垂直方向施加周向环形外磁场，则在高温热电材料棒垂直方向上得到附加电压，产生霍尔电压现象，提高高温热电材料棒的电动势；对于确定材料的梯形热电材料棒，不同的温度对应不同磁强度的优化匹配，周向环形外磁场沿温度梯度方向也是梯度变化的;

热流量在梯形热电材料棒（3）流动过程中不断被转化为电能，热流量从梯形热电材料棒（3）高温端向低温端扩散过程中，热量值是逐渐减少的，形成热流量梯度；

梯形热电材料棒（3）横截面积自高温端至低温端逐渐变小，形成梯度材料；

梯形热电材料棒（3）的原子出现不规则混乱振动，当外部环境施加强磁场时，在磁感应力作用下，将强制限制不规则振动原子自身磁矩的混乱状态，从而强制其按一定方向有序排列，形成一定规则的磁畴；外部强磁场强制高温材料的磁化，从而抑制了原子的混乱振动，降低高温热电材料棒温度，即磁消热效应；

梯形热电材料棒（3）中的原子及电子在磁场中做往复运动，每一个振动循环都将提高一次电子的能级，当电子能级高到一定程度时，电子将脱离原子核的束缚向低能级环境运行，产生量子化跃迁效应，磁场中所有的原子电子的能级变化均以此类推，形成了电子的定向流动，形成热振动磁增电的量子化现象；

涡旋磁力线中的粒子热振动将产生安培电流，而该电流在磁场的作用下又将产生与粒子热振动方向相反的电磁阻力，从而抑制了粒子热振动，形成热阻降温效果；

磁场的强制磁化，使热振动引起的原子及电子磁矩杂乱现象被强制统一到外磁场方向，由原来的升温消磁居里温度现象转变为升磁消热增电的热电效应；

磁化电流的表面效应，梯形热电材料棒（3）周围的环形磁力线在高温热电材料棒表面纵向上形成右手法则的磁化电流，磁温差发电电流通过外伸电极向外输电。

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