本發(fā)明涉及能源動力技術(shù)領(lǐng)域，特別指一種熱聲驅(qū)動的多相交流熱磁發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

熱磁現(xiàn)象是指軟磁材料受熱后溫度超過居里點，由鐵磁體變成順磁體而使磁性發(fā)生極大變化的現(xiàn)象。利用這種現(xiàn)象，可以研制出熱磁發(fā)電機(或熱磁發(fā)動機)，將熱能轉(zhuǎn)化成電能(或機械能)。熱磁發(fā)電與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，具有安靜無噪音、運行穩(wěn)定、發(fā)電量靈活調(diào)節(jié)等獨特的優(yōu)勢，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。當前國內(nèi)外熱磁發(fā)電系統(tǒng)均需要交替加熱和冷卻磁性材料，而如何實現(xiàn)磁性材料的快速加熱和冷卻是該技術(shù)中的難點之一。熱聲技術(shù)是指利用熱聲效應(yīng)實現(xiàn)熱能和聲能之間相互轉(zhuǎn)換的技術(shù)，基于熱聲技術(shù)運行的系統(tǒng)被稱為熱聲熱機。熱聲熱機可分為兩類，熱聲發(fā)動機(或熱聲壓縮機)和熱聲制冷機。對于熱聲發(fā)動機而言，如果外界高溫熱源輸入的熱量使得熱端溫度超過一定臨界值(通常在100～600℃之間)，系統(tǒng)將自發(fā)地產(chǎn)生周期性壓力波動，即利用熱量來產(chǎn)生高強度聲波而無需借助于任何機械運動部件。近年來，隨著國內(nèi)外熱聲發(fā)動機的快速發(fā)展以及對交變流動認識的不斷深入，利用熱聲發(fā)動機實現(xiàn)磁性材料的快速加熱和冷卻為熱磁發(fā)電技術(shù)的進一步發(fā)展提供了可能。

中國專利公開號為CN102748255A提及一種多缸熱磁熱聲發(fā)電系統(tǒng)，具有至少三個基本單元，每個所述基本單元包括熱聲轉(zhuǎn)換裝置、熱磁發(fā)電裝置和諧振裝置，所述熱聲轉(zhuǎn)換裝置包括依次連通的主換熱器、回熱器和加熱器；熱磁發(fā)電裝置包括導磁體、永磁體和線圈；永磁體安裝在導磁體的端部；線圈繞設(shè)在導磁體的外部；諧振裝置包括U型管及其內(nèi)部的U型液柱；每個基本單元中的諧振裝置的U型管的一端部與熱聲轉(zhuǎn)換裝置的加熱器連通，每個基本單元中的諧振裝置的U型管的另一端部與另一基本單元的主換熱器連通。除U型液柱以外，沒有任何的機械運動部件，結(jié)構(gòu)簡單，與現(xiàn)有技術(shù)相比，減少了生產(chǎn)制造成本，同時提高了使用壽命。該方案中由于采用液體振子諧振，質(zhì)量慣性較大因而熱聲系統(tǒng)運行起來振動較大，同時系統(tǒng)的阻尼也較大，容易出現(xiàn)“消振”的現(xiàn)象，在振幅較大時，U型管內(nèi)液體容易溢到發(fā)動機回熱器內(nèi)，對系統(tǒng)的安全性造成影響。此外，三個熱磁發(fā)電單元各自獨立使用永磁體，使得永磁體的利用率較低，降低了熱磁材料的功率密度，不利于進一步降低系統(tǒng)的建設(shè)成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種熱聲驅(qū)動的多相交流熱磁發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以提升系統(tǒng)的運行安全性，還可以進一步降低建設(shè)成本。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種熱聲驅(qū)動的多相交流熱磁發(fā)電系統(tǒng),包括多個基本單元，每個所述基本單元包括熱聲轉(zhuǎn)換裝置和熱磁發(fā)電裝置，其特征在于，

所述熱聲轉(zhuǎn)換裝置包括依次連通的主水冷器、軟磁體回熱器、換熱器、熱緩沖管和諧振管；所述熱磁發(fā)電裝置包括導磁體、永磁體和線圈，所述導磁體的兩端分別連接于永磁體的兩極上，所述線圈環(huán)繞于所述導磁體上；

所述軟磁體回熱器連接于所述導磁體上，以使所述熱聲轉(zhuǎn)換裝置與所述導磁體交叉設(shè)置；所述多個基本單元中的多個熱聲轉(zhuǎn)換裝置通過諧振管首尾相連形成聲功傳播的環(huán)路結(jié)構(gòu)；所述多個基本單元中的多個熱磁發(fā)電裝置分別共用一個永磁體，并且多個熱磁發(fā)電裝置中的導磁體的兩端均分別并排地連接于所述一個永磁體的兩極上以構(gòu)成多個并排的磁回路。

根據(jù)以上方案，所述熱聲轉(zhuǎn)換裝置還包括次水冷器，所述次水冷器連接于熱緩沖管和諧振管之間。

根據(jù)以上方案，所述諧振管上還連接有直流抑制器，所述直流抑制器的兩端分別連接于相鄰二個熱聲轉(zhuǎn)換裝置的主水冷器和諧振管之間。

根據(jù)以上方案，所述導磁體包括的上弓形磁體和下弓形磁體，所述上弓形磁體的兩端分別連接于永磁體和軟磁體回熱器的上側(cè)，所述下弓形磁體的兩端分別連接于永磁體和軟磁體回熱器的下側(cè)，以使所述上弓形磁體和下弓形磁體上下對稱地連接成磁回路。

根據(jù)以上方案，所述基本單元具有三個，并且三個基本單元中的三個熱磁發(fā)電裝置中的導磁體構(gòu)成的多個磁回路中，相鄰的二個磁回路之間的夾角為120度。

根據(jù)以上方案，所述三個基本單元中的三個熱聲轉(zhuǎn)換裝置中，相鄰的二個熱聲轉(zhuǎn)換裝置之間的相位差為120度。

根據(jù)以上方案，所述軟磁體回熱器包括多個并排堆疊設(shè)置的平板狀軟磁片。

根據(jù)以上方案，所述軟磁體回熱器中的多個軟磁片的居里溫度沿聲功傳播方向呈階梯上升的變化趨勢。

根據(jù)以上方案，所述軟磁體回熱器中的多個軟磁片的居里溫度均小于所述換熱器的溫度。

根據(jù)以上方案，所述軟磁體回熱器的軟磁材料為鐵及鐵系合金、鐵氧體化合物或非晶態(tài)金屬玻璃；所述熱聲轉(zhuǎn)換裝置中使用的氣體工質(zhì)為氦氣、氮氣或二氧化碳。

本發(fā)明的熱磁發(fā)電系統(tǒng)，將熱磁發(fā)電裝置耦合在熱聲轉(zhuǎn)換裝置的軟磁體回熱器上構(gòu)成一個基本單元，通過將多個基本單元中的熱聲轉(zhuǎn)換裝置串聯(lián)起來組成環(huán)路結(jié)構(gòu)，同時將多個基本單元中的熱磁發(fā)電裝置并聯(lián)起來組成多個并行的磁回路，利用熱聲轉(zhuǎn)換裝置中氣體的往復(fù)振蕩，將換熱器的低品位熱能轉(zhuǎn)化為電能輸出，整個系統(tǒng)完全沒有運動部件，結(jié)構(gòu)簡單。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于熱聲轉(zhuǎn)換裝置采用串聯(lián)的環(huán)路結(jié)構(gòu)，能有效避免因工質(zhì)在振幅較大的情況下溢到軟磁體回熱器內(nèi)而造成設(shè)備損壞的安全性故障，提升了設(shè)備的使用安全性。同時三個熱磁發(fā)電裝置共用一塊永磁體，有效提高了永磁體利用率以及熱磁材料的功率密度，進一步降低了系統(tǒng)的建設(shè)成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的多個熱聲轉(zhuǎn)換裝置串聯(lián)環(huán)路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的多個熱磁發(fā)電裝置并聯(lián)磁回路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、主水冷器；2、軟磁體回熱器；3、換熱器；4、熱緩沖管；5、次水冷器；6、諧振管；7、直流抑制器；8、導磁體；9、永磁體；10、線圈；11、上弓形磁體；12、下弓形磁體。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行說明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明所述的一種熱聲驅(qū)動的多相交流熱磁發(fā)電系統(tǒng)，包括多個基本單元，每個所述基本單元包括熱聲轉(zhuǎn)換裝置和熱磁發(fā)電裝置，所述熱聲轉(zhuǎn)換裝置包括依次連通的主水冷器1、軟磁體回熱器2、換熱器3、熱緩沖管4和諧振管6；所述熱磁發(fā)電裝置包括導磁體8、永磁體9和線圈10，所述導磁體8的兩端分別連接于永磁體9的兩極上，所述線圈10環(huán)繞于所述導磁體8上；所述軟磁體回熱器2連接于所述導磁體8上，以使所述熱聲轉(zhuǎn)換裝置與所述導磁體8交叉設(shè)置；所述多個基本單元中的多個熱聲轉(zhuǎn)換裝置通過諧振管6首尾相連形成聲功傳播的環(huán)路結(jié)構(gòu)；所述多個基本單元中的多個熱磁發(fā)電裝置分別共用一個永磁體9，并且多個熱磁發(fā)電裝置中的導磁體8的兩端均分別并排地連接于所述一個永磁體9的兩極上以構(gòu)成多個并排的磁回路。本發(fā)明的熱磁發(fā)電系統(tǒng)，將熱磁發(fā)電裝置耦合在熱聲轉(zhuǎn)換裝置的軟磁體回熱器2上構(gòu)成一個基本單元，通過將多個基本單元中的熱聲轉(zhuǎn)換裝置串聯(lián)起來組成環(huán)路結(jié)構(gòu)，同時將多個基本單元中的熱磁發(fā)電裝置并聯(lián)起來組成多個并行的磁回路，利用熱聲轉(zhuǎn)換裝置中氣體的往復(fù)振蕩，將換熱器3的低品位熱能轉(zhuǎn)化為電能輸出，整個系統(tǒng)完全沒有運動部件，結(jié)構(gòu)簡單。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于熱聲轉(zhuǎn)換裝置采用串聯(lián)的環(huán)路結(jié)構(gòu)，能有效避免因工質(zhì)在振幅較大的情況下溢到軟磁體回熱器2內(nèi)而造成設(shè)備損壞的安全性故障，提升了設(shè)備的使用安全性。同時三個熱磁發(fā)電裝置共用一塊永磁體9，有效提高了永磁體9利用率以及熱磁材料的功率密度，進一步降低了系統(tǒng)的建設(shè)成本。

優(yōu)選地，所述熱聲轉(zhuǎn)換裝置還包括次水冷器5，所述次水冷器5連接于熱緩沖管4和諧振管6之間，次水冷器5與主水冷器1分別在熱聲轉(zhuǎn)換裝置的換熱部分兩端，這樣循環(huán)冷卻水經(jīng)過換熱后可以形成室溫端，在軟件磁體回熱器上形成更明顯的溫度梯度，以提升氣體工質(zhì)的自激振蕩效果。所述諧振管6上還連接有直流抑制器7，所述直流抑制器7的兩端分別連接于相鄰二個熱聲轉(zhuǎn)換裝置的主水冷器1和諧振管6之間，直流抑制器7在相鄰的熱聲轉(zhuǎn)換裝置之間抑制環(huán)路直流。

具體地，所述導磁體8包括的上弓形磁體11和下弓形磁體12，所述上弓形磁體11的兩端分別連接于永磁體9和軟磁體回熱器2的上側(cè)，所述下弓形磁體12的兩端分別連接于永磁體9和軟磁體回熱器2的下側(cè)，以使所述上弓形磁體11和下弓形磁體12上下對稱地連接成磁回路，導磁體8可以采用硅鋼片制作，而永磁體9則可以采用磁能積較大的汝鐵硼或工作溫度較高的釤鈷磁體，或者也可以用通有直流電的電磁裝置代替產(chǎn)生磁場，在不影響導磁性能的前提下，將導磁體8分為上下兩部分進行組裝，可以方便導磁體8與永磁體9及軟磁體回熱器2之間的連接安裝操作。

所述軟磁體回熱器2包括多個并排堆疊設(shè)置的平板狀軟磁片，所述軟磁體回熱器2中的多個軟磁片的居里溫度沿聲功傳播方向呈階梯上升的變化趨勢，所述軟磁體回熱器2中的多個軟磁片的居里溫度均小于所述換熱器3的溫度。軟磁體回熱器2還可以采用線切割、電化學腐蝕等加工方法制作而成的板疊結(jié)構(gòu)，為保證氣體和軟磁片之間良好的熱接觸，氣體流道的水力直徑應(yīng)當小于氣體在特定頻率下的熱穿透深度；為避免增加無效熱容和減小軟磁體回熱器2的軸向?qū)?，軟磁材料特征尺寸?yīng)至少相當或小于其自身熱穿透深度。軟磁材料是指容易反復(fù)磁化，在外磁場不存在時易于退磁的材料。根據(jù)熱磁現(xiàn)象，當軟磁材料片溫度在居里溫度之下時，軟磁材料片呈現(xiàn)磁導率很大的鐵磁性，所述磁回路中的磁阻減小，線圈10中的磁通量增加；當軟磁材料片溫度在居里溫度之上時，軟磁材料片呈現(xiàn)磁導率很小的順磁性，所述磁回路中的磁阻增大。優(yōu)選地，所述軟磁體回熱器2的軟磁材料為鐵及鐵系合金、坡莫合金、鐵氧體化合物或非晶態(tài)金屬玻璃，同時所述熱聲轉(zhuǎn)換裝置中使用的氣體工質(zhì)為氦氣、氮氣或二氧化碳等具有低Pr數(shù)(普朗特數(shù))的氣體工質(zhì)。

本發(fā)明的多相交流熱磁發(fā)電系統(tǒng)，可以包含多個基本單元，每個基本單元中的熱聲轉(zhuǎn)換裝置首尾相連串聯(lián)構(gòu)成聲功傳播環(huán)路，每個基本單元中的熱磁發(fā)電裝置的導磁體8并聯(lián)在同一個永磁體9上，并且這個導磁體8與每個熱聲轉(zhuǎn)換裝置中的軟磁體回熱器2一一對應(yīng)地耦合，構(gòu)成由多個熱磁發(fā)電裝置組成的并聯(lián)磁回路，不論是熱聲轉(zhuǎn)換裝置還是熱磁發(fā)電裝置，均以永磁體9為中心構(gòu)成均勻的圓形陣列排布結(jié)構(gòu)，最終形成多相交流發(fā)電系統(tǒng)。目前最為常用的是三相交流發(fā)電系統(tǒng)，下面以三相交流發(fā)電系統(tǒng)為例，對本發(fā)明進行說明。

三相交流發(fā)電系統(tǒng)中，按上述多相排列結(jié)構(gòu)來進行布置，同樣地以永磁體9為中心布置成圓形陣列，所述基本單元具有三個，并且三個基本單元中的三個熱磁發(fā)電裝置中的導磁體8構(gòu)成的多個磁回路中，相鄰的二個磁回路之間的夾角為120度。同樣地，所述三個基本單元中的三個熱聲轉(zhuǎn)換裝置中，相鄰的二個熱聲轉(zhuǎn)換裝置之間的相位差為120度。這樣，每臺熱聲轉(zhuǎn)換裝置可以一直工作在比較理想的行波聲場中，其熱聲轉(zhuǎn)換效率較高。

如圖1和圖2所示，圖1和圖2中均只標記了一個熱聲轉(zhuǎn)換裝置和一個熱磁發(fā)電裝置的詳細組成，其它未標記的熱聲轉(zhuǎn)換裝置和熱磁發(fā)電裝置均與之相同。見圖1，熱聲轉(zhuǎn)換裝置包括依次相連的主水冷器1、軟磁體回熱器2、換熱器3、熱緩沖管4、次水冷器5和諧振管6，諧振管6分別連接在第一個熱聲轉(zhuǎn)換裝置的次水冷器5和第二個熱聲轉(zhuǎn)換裝置的主水冷器1之間，同時在諧振管6和主水冷器1之間還連接直接抑制器。這樣，三個熱聲轉(zhuǎn)換裝置組成聲功傳播的環(huán)路結(jié)構(gòu)。見圖2，熱磁發(fā)電裝置包括導磁體8、永磁體9和線圈10，所述導磁體8的兩端分別連接于永磁體9的兩極上，所述線圈10環(huán)繞于所述導磁體8上，同時三個熱磁發(fā)電裝置的導磁體8均連接在同一個永磁體9兩極上，并且每個熱聲轉(zhuǎn)換裝置中的軟磁體回熱器2與每個熱磁發(fā)電裝置的導磁體8一一對應(yīng)地進行耦合，這樣三個熱磁發(fā)電裝置形成并聯(lián)的三個磁回路。三相交流發(fā)電系統(tǒng)的三個基本單元的連接組成結(jié)構(gòu)如上所述。

在工作過程中，換熱器3吸收外界高溫熱源的熱量形成高溫端，主水冷器1和次水冷器5與循環(huán)冷卻水換熱形成室溫端，從而在軟磁體回熱器2上形成溫度梯度。在該溫度梯度條件下，熱聲轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)的氣體工質(zhì)開始自激振蕩，當氣體在軟磁體回熱器2內(nèi)由一端向另一端移動時，氣體從固體壁面吸收熱量，軟磁體回熱器2中的軟磁片被冷卻，使軟磁片溫度低于其居里溫度而呈現(xiàn)磁導率很大的鐵磁性，磁回路中的磁阻減小，使環(huán)繞于導磁體8上的線圈10中的磁通量增加；當氣體反向移動時，氣體向固體壁面釋放熱量，軟磁體回熱器2中的軟磁片被加熱，使軟磁片的溫度高于其居里溫度而呈現(xiàn)磁導率很小的順磁性，磁回路中的磁阻增大，使環(huán)繞于導磁體8上的線圈10中的磁通量減少。由于氣體工質(zhì)是周期性移動，使得線圈10中的磁通量也呈周期性變化，隨著線圈10中的磁通量周期性變化，線圈10中便會產(chǎn)生感應(yīng)電流，實現(xiàn)向外輸出電能進行發(fā)電的效果。此外，在該溫度梯度條件下，從諧振管傳遞過來的上一級熱聲轉(zhuǎn)換裝置中的聲功被放大，聲功沿著溫度梯度的正方向傳播，依次經(jīng)過下一級熱聲轉(zhuǎn)換裝置，最后沿另一個諧振管傳播到達更下一級的熱聲轉(zhuǎn)換裝置，可以有效提高聲功的利用率，提升發(fā)電效率。因為三個基本單元中，三個熱聲轉(zhuǎn)換裝置的壓力波和體積流相位分別相差120°，所以相鄰兩組熱磁發(fā)電裝置的線圈內(nèi)磁通量變化相位總是相差120°，線圈感應(yīng)產(chǎn)生的電流相位差為120°，滿足三相交流發(fā)電的相位要求。

以上所述僅是本發(fā)明的較佳實施方式，故凡依本發(fā)明專利申請范圍所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均包括于本發(fā)明專利申請范圍內(nèi)。