一种新型的发电方式—热磁发电研究 李东辉

1、中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用学术会议论文 编号：111239基金项目：国家自然科学基金(no.50890181); 国家基础研究计划项目(no.2010cb227303)支持一种新型的发电方式热磁发电研究 李东辉1,2,罗二仓1,吴张华1,戴 巍1( 1 中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室 北京 100190 2 中国科学院研究生院 北京 100049） (telemail：)摘要 本文对热磁发动机和热磁发电机进行了初步研究，基于热磁现象它们分别将热能转化成了机械能和电能。同时列述了热磁发电的一些独特优点以

2、及国外对于热磁发动机和热磁发电机的研究进展，并设计了热磁发动机的演示装置，提出了直线压缩机驱动或热声驱动的多种热磁发电系统专利设计。通过ansys和matlab的模拟计算，对于磁路和电路周期内升降温两阶段进行了近似地分析，并比较了电阻和线圈匝数对于发电机性能的影响。关键词 热磁现象; 热磁发动机; 热磁发电系统0 引言热磁现象【1】是指当软磁材料受热后温度超过居里点，由铁磁体变成顺磁体，磁性急剧减小；当其冷却后温度降低到居里点以下，又由顺磁体变回铁磁体而使磁性急剧增大的现象。利用这种现象，可以研制出热磁发动机和热磁发电机，分别将热能转化成机械能和电能。在国外，热磁现象很早就被发现，爱迪生【2】

3、和特斯拉【3】都有热磁方面的研究专利。热磁现象不同于后来用于磁制冷方面的磁热效应【4】，后者是利用铁磁体或者顺磁体随着外加磁场的变化而使温度发生变化从而达到制冷的目的。 在传统的火力发电、水力发电、风力发电方式中，热能先转换成机械能，再由机械运动部件带动电机产生电能。而热磁发电机受热直接就可以产生电能，省去了中间的机械运动部件，延长了系统的使用寿命，同时运行起来安静，无噪音。而热源的利用可以是太阳能或者工业废热等低品位的能源，因为温度的选择主要依据软磁材料的居里点，而现在从居里点是室温的磁温度补偿合金到接近1000摄氏度的铁钴合金【5】都很普及，价格也不贵，易于采购生产，应用的温区宽广。同时线

4、圈的匝数、磁路的长度以及发电机的尺寸都可以灵活改变，以适应不同负荷的用电需求和不同场所的发电需要。1 研究进展1.1热磁发动机在热磁发动机方面，美国和日本在八九十年代有一些专利申请（如图1和图2所示）和文献研究，原理是利用软磁材料受热前所受永磁体的磁力空间上平衡，当流体与软磁材料一侧换热后，被加热的一侧磁性急剧减小，圆盘所受磁力不平衡，从而产生周向推动力，使得圆盘旋转起来，将热能转换成了机械能。 图1 1982年 日本 katayama【6】 图2 1998年 american institute of physics【7】1.2热磁发电机在热磁发电机方面，美国相关的文献研究更深入一些，对于输

5、出功率和效率的计算也有初步研究。 1948年，brillouin和iskenderian【8】提出了开创性的物理热力学研究，提出了可以计算热磁发电效率的模型方程，并根据正弦的温度输入求出了解析解。不过并没有考虑实际的情况，同时在定义这些方程时也运用了许多近似的假设，使得计算具有一定局限性。 1959年，elliott【9】进一步指出由永磁体提供磁能的热磁发电机（如图3所示）的效率受限于永磁体的退磁曲线。根据这点，将b-i提出的方程进行了拓展，同时基于一个直径1.77cm的固体圆柱材料钆进行了换热计算，在非最优化换热结构和永磁体性能受限的情况下，elliott得出功率密度为6.9w/kg，效率为

6、0.55倍的卡诺效率即0.57%.其中钆的温差变化为3k，循环的周期为6s。1987年，solomon【10】在传统的热磁发电机基础上，提出了新的设计（如图4所示），将铁磁材料放在由超导材料构成的磁场中，同时电磁场输入电流的周期和热量循环周期相对应，从而增大了磁滞回线的面积，即增大了输出功率，温差变化在30k以内，效率最大为3.14%.由于热磁发电机的效率较低并且软磁材料的性能不够理想，制约了其进一步的发展，国外近些年并没有热磁发电机的进一步研究，国内在热磁方面的研究更是非常有限。本文会提出一些新的热磁发电系统的设计，以便提高其效率和应用前景。 图3 1959年 elliott 图4 1987

7、年 solomon2实验设计2.1热磁发动机演示装置为了更好的理解热磁发动机的运行原理，根据前人的研究经验，我们设计了热磁发动机的演示装置（如图5所示），软磁材料坡莫合金薄片圆环固定在中间的微型轴承上，两边是钕铁硼永磁体，酒精灯相对着放在稍偏离永磁体中心的位置上。加热前，由于软磁圆环所受永磁体的磁力是平衡的，所以静止不动。当加热时，软磁材料温度高过居里点磁性大大减弱，使得圆环所受磁力不平衡从而产生周向推动力，软磁圆环随即旋转起来，并且一直保持在高速安静状态，发动机将热能转换成了机械能。 图5 热磁发动机演示装置 图6 直线压缩机驱动的热磁发电系统模型图2.2热磁发电机设计 为了解决国外研究的热

8、磁发电机存在的一些问题，我们进行了改进设计并且拓展了驱动方式。我们采用直线压缩机驱动（如图6）或者热声驱动（如图7）的方式使流体往复振荡以提高换热频率，同时采用高磁导率不同居里点的软磁材料叠加组合以提高系统发电效率。原理都是利用振荡流体先经由换热器加热或冷却，再与软磁材料温差换热，使后者的温度在居里点上下波动，磁路中磁通量周期性变化，根据电磁感应定律，缠绕在磁路上的线圈中产生感应电流，从而将热能转化成了电能。 1. 惯性管2.主室温换热器3.回热器4.高温换热器 1.室温换热器2.导磁段3.永磁体4.软磁段2. 热缓冲管 6.次室温换热器7.谐振管8.气库 5.高温换热器6.软磁段7.室温换热

9、器9.13.低温换热器11.高温换热器10.12.软磁段 8.u型流道9.槽式太阳能集热板10.输入管道14.永磁体 15.导磁段 11.水泵12.输出管道 图7 热声方式驱动的热磁发电系统示意图 图8 槽式太阳能热磁发电系统示意图其中，磁路部分由永磁体、导磁段和软磁段组成，永磁体选用磁能积较大的钕铁硼，导磁段选用饱和磁感应强度较大的硅钢，软磁段选择不同居里点的坡莫合金叠加而成。对于磁路各部分的长度和横截面积的选择，依据安培回路定律和高斯定理【11】，进行了迭代计算，以确定永磁体的工作回复线可以在最佳的位置，即加热前靠近剩磁点，加热后靠近最大磁能积点，使得磁路在每个循环周期内磁通量变化最大。直

10、线压缩机驱动时，换热流体可以是水、导热油或者液态金属；热声驱动时，换热流体是氮气或者氦气，这种方式可以实现完全没有运动部件的发电系统。流道部分的换热器中间是高温的，两侧是低温的，热源供应方式可以采用太阳能供应（如图8），变温热源供应或者燃气式热源供应系统，我们也申请了多种组合方式的热磁发电系统的专利。3数值模拟3.1磁路的ansys模拟图为了简化模型，我们假设软磁材料与流体充分换热，即磁路中可以周期性形成回路和开路的状态，同时各部分的磁导率都假设不变。由图8和图9可以看到，加热前回路的漏磁很少，加热后由于磁路磁阻很大，在开路上的漏磁很多。在3维模拟图10和图11中回路时永磁体和硅钢的磁感应强度

11、在1.4t左右，软磁体的磁感应强度在1.0t左右，开路时永磁体的磁感应强度在1.0t左右，软磁体的磁导率和空气相当，使得硅钢的漏磁比较严重，只有0.5t左右，因为线圈是缠绕在硅钢片上的，所以漏磁会增大磁通量变化，对于发电是有益的。 图8 加热前回路的磁力线分布 图9 加热后开路的磁力线分布 图10 加热前回路磁感应强度矢量图 图11 加热后开路磁感应强度矢量图3.2输出电功的计算：根据电磁感应定律，当导磁体横截面的磁通量发生变化时，缠绕在其上的线圈会感应出电流，电流又会感应出附加磁场，与永磁体提供的磁场叠加成总磁场。整个过程中磁导率和磁场强度是不断变化的。 其中，v是感应电压，i是感应电流，h

12、是总的磁场强度，n是总线圈匝数，s是横截面积，r是相对磁导率，0是真空磁导率。式中r随温度变化，通过实验数据自建模型求出r(t)。给出软磁片表面的温度分布，将r(t)带入(4)中可得到一个一阶常微分方程，用四阶runga-kutta法求解。将每个时间步长的db/dt带入（2）可求出电流，带入（3）可求出磁场强度。输出的功率可由p= i 2r求出。图12-图19是应用matlab编译求出的数据，为了简化，假定磁导率和永磁体提供的磁场强度h0随时间线性变化，并且分别改变电阻r和单位长度线圈匝数n0，查看导磁体磁感应强度b，和线圈输出功率p的变化。一个周期内分为升温和降温两个阶段。 图12 升温时磁

13、感应强度的变化（n0不变，r变化） 图13 升温时磁感应强度的变化（r不变，n0变化） 图14 升温时输出功率的变化（n0不变，r变化） 图15 升温时输出功率的变化（r不变，n0变化） 图16 降温时磁感应强度的变化（n0不变，r变化） 图17 降温时磁感应强度的变化（r不变，n0变化） 图18 降温时输出功率的变化（n0不变，r变化） 图19 降温时输出功率的变化（r不变，n0变化） 由于r-k法是基于边界条件的迭代推进，所以求解时r和n0要在一定的范围内。图中可以看出升温时，磁感应强度的变化斜率绝对值逐渐增大，输出功率逐渐增大。降温时，磁感应强度的变化斜率逐渐减小，输出功率逐渐减小。同时

14、可以看到电阻越小，线圈匝数越多，磁感应强度变化斜率越大，输出功率也越大。 实验中可以调控的参量有压缩机的行程和频率、软磁片的分布排列、外接负载电阻大小、线圈的匝数以及加热棒的功率等。对于流体换热的充分性，输出电流的稳定性，以及磁导率的非线性变化等问题，还需要更进一步的实验研究。 3 结论本文首先列述了国外在热磁发动机和热磁发电机方面的研究进展以及制约因素；然后设计了热磁发动机的演示装置，通过对热磁发电机的改进，提出了直线压缩机驱动或热声驱动的多种热磁发电系统专利设计；最后通过ansys和matlab的模拟计算，对于磁路和电路周期内升降温两阶段进行了近似地分析，升温时磁感应强度的变化斜率绝对值逐

15、渐增大，输出功率逐渐增大。降温时，磁感应强度的变化斜率逐渐减小，输出功率逐渐减小。发现在一定范围内电阻越小，线圈匝数越多，磁感应强度变化斜率越大，输出功率也越大。由于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，同时随着研究的深入，对于换热充分性和软磁材料选择等问题的改进也可以提高热电转换效率，使得在不同品位热源条件下，热磁发电机都能良好的工作，并且满足不同的用电负荷需求。参考文献1 l.d.kirol&j.i.mills.numerical analysis of thermomagnetic genetator.j.appl.p

16、hys,1984,56(3):824-828.2 t.edison. british patant no.16 709. 1887.3 n.tesla. u.s.patent no. 428 057. 1890.4 鲍雨梅，张康达. 磁制冷技术m. 北京：化学工业出版社，2004: 86-87.5 朱中平，薛剑峰. 中外磁性材料实用手册m. 北京：中国物资出版社，1983: 24-116.6 katayama. non self-starting thermalmagnetic energy recycling ferrite ring engine .japan:413,706.sep.1,1982.7 k.n.andreevskii&a.g.mandzhavidze. investigation of the thermodynamic and physical characteristics of a thermomagnetic engine with a gadolinium working element.technical physics,1998,43(9):1115- 1118.8 l.brillouin&h.p.iskenderian. elect