一種直線壓縮機驅動的熱磁發電系統的制作方法
【專利摘要】一種直線壓縮機驅動的熱磁發電系統包括：直線壓縮機、熱源供應系統及熱磁發電機；熱源供應系統為熱磁發電機提供熱量；熱磁發電機利用流體交變流動將熱能轉換成電能；熱磁發電機包括兩個室溫換熱器及位于其間的高溫換熱器；裝于室溫與高溫換熱器間的軟磁體；相對放置的兩組弓型導磁體；每組弓型導磁體一端夾裝永磁體；另一端夾裝軟磁體；導磁體上套有線圈；每一軟磁體、永磁體和一組弓型導磁體構成磁回路；工作時，直線壓縮機驅動流體在室溫與高溫換熱器間來回運動，軟磁體周期性被加熱和冷卻，其溫度在居里點附近變化，磁導率周期性變化，磁回路磁阻和磁通量變化，線圈產生感應電動勢而產生電能；本發明無噪音、應用溫區寬、發電量靈活調節。
【專利說明】一種直線壓縮機驅動的熱磁發電系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種熱磁發電裝置，特別涉及一種直線壓縮機驅動的熱磁發電系統。
【背景技術】
[0002] 熱磁發電機是利用高磁導率軟磁材料在居里點附近磁導率發生巨大變化，從而引 起磁回路中通過線圈的磁通量變化，進而產生電能的裝置。但是，熱磁發電系統需要交替加 熱和冷卻磁性材料，而如何實現磁性材料的快速加熱和冷卻是該技術中的難點之一。
[0003] 現有技術的往復式活塞泵驅動的熱磁發電系統，如圖8所示，1是第一室溫換熱 器，4是由軟磁材料片疊加的軟磁體，5是高溫換熱器，7是第二室溫換熱器，8是流體通道， 32是往復活塞，磁回路由軟磁體4、工型導磁體2和永磁體3組成，整個系統是封閉的，流 體可以是氣體或者液體，隨著活塞泵驅動流體往復振蕩，流體在高溫換熱器5處被加熱，在 室溫換熱器1和7處被冷卻，并通過與軟磁體4的熱交換，使軟磁材料周期性的被加熱和冷 卻，磁導率周期性變化，使得外接磁路中的磁通量變化，線圈感應產生電流。不過活塞泵與 流道的密封安裝較為復雜，同時高溫換熱器需要加熱棒供能，一是提供的高溫有限，限制了 高居里點軟磁材料的應用；二是加熱棒也是電能的輸入，對于效率的計算以及熱磁發電技 術的應用產生了制約。
[0004] 與此同時，太陽能資源安全、無污染、儲量豐富且可以經濟利用。我國地處北半球 歐亞大陸的東部，幅員遼闊，太陽能資源十分豐富。每年陸地面積接受的太陽輻射能相當于 2. 4萬億噸標準煤，約等于上萬個三峽工程發電量的總和。其中年日照時數超過2000小 時，輻射總量高于1630kwh / m2的地區占全國總面積的2 / 3以上，主要分布在西藏大部、 新疆、青海、甘肅、黃土高原、內蒙、華北大部和蘇北等地。如果能夠將這些太陽能有效利用， 對于緩解我國的能源問題，保護生態環境，保證經濟發展過程中能源的持續穩定供應都將 具有重大而深遠的意義。
【發明內容】
[0005] 本發明目的在于克服往復式活塞泵驅動的熱磁發電系統存在的諸多缺陷，而提供 一種直線壓縮機驅動的熱磁發電系統，驅動時不需要密封，只需將直線壓縮機與U型流道 一側連通，即可根據連通器原理，使流體往復振蕩，安裝簡單，運行可靠。熱源的供應可以采 用燃氣式或太陽能式，燃氣的方式可以大大增加熱端溫度，如果氣體燃料采用天然氣，溫度 可高達1100°C，如果采用液化石油氣，溫度在900°C左右，這樣可以應用更高居里點的軟磁 材料，流道采用316L耐高溫鋼；同時回收的煙氣通過套管式逆流換熱器將余熱傳給入口段 冷空氣，提高了熱能的利用率。而采用太陽能熱源供應系統，高效環保，也能夠適當提高熱 端溫度，碟式集熱器能達到的溫度范圍為750°C?1380°C，槽式集熱器能達到的溫度范圍 為390°C?700〃C，塔式集熱器能達到的溫度范圍為560°C?1000°C。
[0006] 為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：
[0007] 本發明提供的一種直線壓縮機驅動的熱磁發電系統，其包括直線壓縮機、熱磁發 電機和熱源供應系統；所述熱源供應系統為熱磁發電機的高溫換熱器提供所需熱量；所述 熱磁發電機利用流體的交變流動將高溫換熱器的熱能轉換成電能；
[0008] 所述的熱磁發電機包括：
[0009] 由依次相連的第一室溫換熱器1、第一軟磁體4、高溫換熱器5、第二軟磁體6和第 二室溫換熱器7構成的熱交換組件；
[0010] 一對其上套有線圈相對放置的弓型上導磁體2,所述弓型上導磁體2相對的一端 夾裝第一軟磁體4,另一端夾裝上永磁體3 ;
[0011] 一對其上套有線圈相對放置的弓型下導磁體201，所述弓型下導磁體201相對的 一端夾裝第二軟磁體6,另一端夾裝下永磁體301 ;
[0012] 所述直線壓縮機9通過一空心管道與所述第一室溫換熱器1相連；所述第二室溫 換熱器7與所述熱交換組件呈U形排列的管道相連，所述與所述熱交換組件呈U形排列的 管道與大氣相通；
[0013] 所述第一軟磁體4和第二軟磁體6由軟磁材料片疊摞而成；所述軟磁材料片的居 里溫度小于高溫換熱器5的溫度；
[0014] 所述的第一軟磁體4、上永磁體3和所述的一對弓型上導磁體2構成一磁回路并形 成一個熱磁發電單元；
[0015] 所述的第二軟磁體6、下永磁體301和所述的一對弓型下導磁體201構成另一磁回 路并形成另一個熱磁發電單元；
[0016] 所述的熱源供應系統與所述高溫換熱器5相連，而為高溫換熱器5提供熱量；
[0017] 直線壓縮機可以進行容量調節，活塞的行程直接取決于驅動電壓和排氣壓力，方 便改變流體的振蕩幅度，使流體溫度梯度與軟磁材料片居里點更好吻合。
[0018] U型流體通道的左側與直線壓縮機相連，右側與大氣相通，利用連通器原理，使得 流體往復振蕩。當直線壓縮機9驅動流體在所述第一室溫換熱器1與高溫換熱器5之間及 第二室溫換熱器7與高溫換熱器5之間來回運動時，第一軟磁體4和第二軟磁體6的軟磁 材料片呈周期性被加熱和冷卻；所述軟磁材料片的居里溫度小于高溫換熱器5的溫度；當 軟磁材料片溫度在居里點之下時，軟磁材料片呈現磁導率很大的鐵磁性；當軟磁材料片溫 度在居里點之上時，軟磁材料片呈現磁導率很小的順磁性；所述磁回路的磁阻和磁通量隨 著軟磁材料片磁導率的變化而發生變化，所述弓型上導磁體2和弓型下導磁體201上的線 圈產生感應電動勢，進而熱磁發電單元產生電能并輸出電能；
[0019] 所述的熱源供應系統或為燃氣式熱源供應系統，其包括：一臺用于驅動空氣流動 的風機12 ;-個用于空氣和回收煙氣熱交換的套管式逆流換熱器11 ;用于氣體燃料與空氣 混合燃燒的燃燒室10,燃燒室10內裝有噴嘴、點火裝置，空氣流道14和煙氣管道13 ;所述 風機12通過套管式逆流換熱器11中的空氣流道14與所述燃燒室10相連通；所述燃燒室 10輸出與所述高溫換熱器5輸入相連；所述高溫換熱器5輸出通過套管式逆流換熱器11中 的煙氣管道13與大氣或煙氣回收裝置相連；
[0020] 所述的燃氣式熱源供應系統將煙氣的余熱與冷空氣在逆流換熱器進行熱交換，從 而使進入燃燒室的空氣溫度升高，排出外界的煙氣溫度降低，大大節約了能量。
[0021 ] 所述的燃氣式熱源供應系統中的燃燒室由噴嘴噴出氣體燃料，與輸送來的空氣混 合再由點火裝置點燃，最后將高溫煙氣輸送到高溫換熱器。所述高溫換熱器的縱向是發電 機流體流道，橫向是煙氣流道，換熱器材料為紫銅。
[0022] 所述的熱源供應系統或為太陽能熱源供應系統，所述太陽能熱源供應系統為碟式 太陽能熱源供應系統或槽式太陽能熱源供應系統；
[0023] 所述的碟式太陽能熱源供應系統包括：菲涅爾透鏡或拋物面鏡25、接收器和水泵 121 ;所述菲涅爾透鏡或拋物面鏡25將太陽光聚焦至接收器上，水泵121通過輸入管道23 與菲涅爾透鏡或拋物面鏡25,菲涅爾透鏡或拋物面鏡25,而接收器通過輸出管道與高溫換 熱器5相連；所述高溫換熱器5輸出通過套管式逆流換熱器11中的煙氣管道13與水泵相 連；
[0024] 所述的槽式太陽能熱源供應系統中的線聚焦拋物面鏡將太陽光聚焦在中間的真 空集熱管上，加熱集熱管內的導熱油。
[0025] 所述的熱交換組件可為二組熱交換組件，該二組熱交換組件由U型管相連并呈U 形布置。
[0026] 所述二組熱交換組件中的第一軟磁體4和第二軟磁體6可沿軸向分成多段，各段 軟磁體的軟磁材料片的居里溫度不同，從高溫換熱器5到第一室溫換熱器1或高溫換熱器5 到第二室溫換熱器7之間的各段軟磁體軟磁材料片的居里溫度呈階梯下降，以形成多個熱 磁發電單元，可將多個熱磁發電單元的線圈串聯或并聯輸出電功。
[0027] 所述的太陽能熱源供應系統中可設有自動跟蹤系統，根據太陽高度角的不同自動 調節拋物面鏡方位，以使拋物面鏡充分獲得太陽光直射。
[0028] 所述高溫換熱器縱向是熱磁發電機的流體流道，橫向是煙氣流道，高溫換熱器5 的換熱器材質為紫銅。
[0029] 所述的第一室溫換熱器1和第二室溫換熱器7之間可通過管道相互連通。
[0030] 所述軟磁材料片材質為鐵及鐵系合金，坡莫合金，鐵氧體或非晶態金屬玻璃，其厚 度小于2倍的軟磁材料片熱穿透深度
【權利要求】
1. 一種直線壓縮機驅動的熱磁發電系統，其包括直線壓縮機、熱磁發電機和熱源供應 系統；所述熱源供應系統為熱磁發電機的高溫換熱器提供所需熱量；所述熱磁發電機利用 流體的交變流動將高溫換熱器的熱能轉換成電能； 所述的熱磁發電機包括： 由依次相連的第一室溫換熱器（1)、第一軟磁體（4)、高溫換熱器（5)、第二軟磁體（6) 和第二室溫換熱器（7)構成的熱交換組件； 一對其上套有線圈相對放置的弓型上導磁體（2)，所述弓型上導磁體（2)相對的一端 夾裝第一軟磁體（4)，另一端夾裝上永磁體（3); 一對其上套有線圈相對放置的弓型下導磁體（201 )，所述弓型下導磁體（201)相對的 一端夾裝第二軟磁體（6 )，另一端夾裝下永磁體（301); 所述直線壓縮機（9)通過一空心管道與所述第一室溫換熱器（1)相連；所述第二室溫 換熱器（7)與所述熱交換組件呈U形排列的管道相連，所述與所述熱交換組件呈U形排列 的管道與大氣相通； 所述第一軟磁體（4)和第二軟磁體（6)由軟磁材料片疊摞而成；所述軟磁材料片的居 里溫度小于高溫換熱器（5)的溫度； 所述的第一軟磁體（4)、上永磁體（3)和所述的一對弓型上導磁體（2)構成一磁回路并 形成一個熱磁發電單元； 所述的第二軟磁體（6)、下永磁體（301)和所述的一對弓型下導磁體（201)構成另一磁 回路并形成另一個熱磁發電單元； 所述的熱源供應系統與所述高溫換熱器（5)相連為高溫換熱器（5)提供熱量； 當直線壓縮機（9)驅動流體在所述第一室溫換熱器（1)與高溫換熱器（5)之間及第二 室溫換熱器（7)與高溫換熱器（5)之間來回運動時，第一軟磁體（4)和第二軟磁體（6)的 軟磁材料片呈周期性被加熱和冷卻；所述軟磁材料片的居里溫度小于高溫換熱器（5)的 溫度；當軟磁材料片溫度在居里點之下時，軟磁材料片呈現磁導率很大的鐵磁性；當軟磁 材料片溫度在居里點之上時，軟磁材料片呈現磁導率很小的順磁性；所述磁回路的磁阻和 磁通量隨著軟磁材料片磁導率的變化而發生變化，所述弓型上導磁體（2)和弓型下導磁體 (201)上的線圈產生感應電動勢，進而熱磁發電單元產生電能并輸出電能； 所述的熱源供應系統或為燃氣式熱源供應系統，其包括：一臺用于驅動空氣流動的風 機（12);-個用于空氣和回收煙氣熱交換的套管式逆流換熱器（11);用于氣體燃料與空 氣混合燃燒的燃燒室（10)，燃燒室（10)內裝有噴嘴、點火裝置，空氣流道（14)和煙氣管道 (13);所述風機（12)通過套管式逆流換熱器（11)中的空氣流道（14)與所述燃燒室（10)相 連通；所述燃燒室（10)輸出與所述高溫換熱器（5)輸入相連；所述高溫換熱器（5)輸出通 過套管式逆流換熱器（11)中的煙氣管道（13)與大氣或煙氣回收裝置相連； 所述的熱源供應系統或為太陽能熱源供應系統，所述太陽能熱源供應系統為碟式太陽 能熱源供應系統或槽式太陽能熱源供應系統； 所述的碟式太陽能熱源供應系統包括：菲涅爾透鏡或拋物面鏡（25)、接收器和水泵 (121);所述菲涅爾透鏡或拋物面鏡（25)將太陽光聚焦至接收器上，水泵（121)通過輸入管 道（23)與菲涅爾透鏡或拋物面鏡（25)，菲涅爾透鏡或拋物面鏡（25)，而接收器通過輸出管 道與高溫換熱器（5)相連；所述高溫換熱器5輸出通過套管式逆流換熱器（11)中的煙氣管 道（13)與水泵相連； 所述的槽式太陽能熱源供應系統中的線聚焦拋物面鏡將太陽光聚焦在中間的真空集 熱管上，加熱集熱管內的導熱油。
2. 按權利要求書1所述的直線壓縮機驅動的熱磁發電系統，其特征在于，所述的熱交 換組件為二組熱交換組件，二組熱交換組件由U型管相連并呈U形布置。
3. 按權利要求書1所述的直線壓縮機驅動的熱磁發電系統，其特征在于，二組熱交換 組件中的第一軟磁體（4)和第二軟磁體（6)沿軸向分成多段，各段軟磁體的軟磁材料片的 居里溫度不同，從高溫換熱器（5 )到第一室溫換熱器（1)或高溫換熱器（5 )到第二室溫換熱 器（7)之間的各段軟磁體軟磁材料片的居里溫度呈階梯下降，形成多個熱磁發電單元，將多 個熱磁發電單元的線圈串聯或并聯輸出電功。
4. 按權利要求書1所述的直線壓縮機驅動的熱磁發電系統，其特征在于，所述的太陽 能熱源供應系統中設有自動跟蹤系統，根據太陽高度角的不同自動調節拋物面鏡方位，以 使拋物面鏡充分獲得太陽光直射。
5. 按權利要求書1所述的直線壓縮機驅動的熱磁發電系統，其特征在于，所述高溫換 熱器（5)軸向是熱磁發電機的流體流道，徑向是煙氣流道，高溫換熱器（5)的換熱器材質為 紫銅。
6. 按權利要求書1所述的直線壓縮機驅動的熱磁發電系統，其特征在于，所述的第一 室溫換熱器（1)和第二室溫換熱器（7)之間通過管道相互連通。
7. 按權利要求書1所述的直線壓縮機驅動的熱磁發電系統，其特征在于，所述軟磁材 料片材質為鐵及鐵系合金，坡莫合金，鐵氧體或非晶態金屬玻璃，其厚度小于2倍的軟磁材 料片熱穿透深度
；其中κ為軟磁材料的熱擴散系數，ω為流體運動角頻率，c為軟磁 材料比熱容，Ρ為軟磁材料密度。
8. 按權利要求書1所述的直線壓縮機驅動的熱磁發電系統，其特征在于，所述直線壓 縮機（9)驅動的是氣體，U型流道內流動的是液體介質，兩者的交面在第一室溫換熱器之 上；所述液體介質為水、導熱油或液態金屬。
【文檔編號】H01L37/04GK104124335SQ201310152665
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月27日 優先權日:2013年4月27日
【發明者】羅二倉, 李東輝, 吳張華 申請人:中國科學院理化技術研究所