Способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию
Владельцы патента RU 2379820:
Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)
Изобретение может быть использовано в электрических машинах для прямого преобразования тепловых эффектов в электричество. Замкнутый магнитопровод содержит обмотку возбуждения, получающую питание от источника постоянного тока, и вставку, выполненную из ферромагнитного материала, обладающего теплотой фазового перехода второго рода, при котором материал теряет свои магнитные свойства, с пониженной точкой Кюри, например пермаллой, точка Кюри которого равна 70°С. Эту вставку подвергают нагреву до температуры, при которой она теряет свои магнитные свойства; затем эту вставку охлаждают до температуры, при которой ее магнитные свойства восстанавливаются, процесс нагрева и охлаждения протекает в виде чередующихся циклов. В результате в магнитопроводе происходит периодическое изменение магнитного потока, что приводит к появлению ЭДС в обмотке, охватывающей магнитопровод. Изобретение обеспечивает прямое преобразование тепла в электричество и высокий КПД преобразования. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электрическим машинам, в которых производится прямое преобразование тепловых эффектов в другой вид энергии.
Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую с использованием эффекта Пельтье (патент РФ № 2298278, МПК Н02N 10/00 «Электрический двигатель», опубликован 27.04.2007).
Недостаток известного способа заключается в том, что для его осуществления используется сложная система преобразования с большим числом механических элементов, что приводит к низкой надежности устройств, реализующих данный способ.
Известен также способ преобразования тепловой энергии в механическую с использованием эффекта Пельтье, в котором электрическая энергия сначала преобразуется в тепловую с последующим переводом тепловой энергии в механическую (патент РФ № 2302072, МПК Н02N 10/00 «Электрический привод (варианты)», опубликован 27.06.2007).
Известный способ преобразования характеризуется несколько более простой кинематической схемой и, по нашему мнению, устройства, выполненные по данному способу, имеют более высокую надежность.
Однако известному способу свойственны недостатки, которые заключаются в двойном преобразовании энергии, что понижает КПД системы в целом.
Задачей изобретения является создание способа прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию при отсутствии каких-либо механических звеньев.
Дополнительно решается задача по повышению КПД преобразования.
Указанная задача решается за счет того, что в способе преобразования тепловой энергии в электрическую энергию формируют замкнутую магнитную цепь, в которой выполняют ферромагнитную вставку, обладающую температурой фазового перехода второго рода, при котором материал теряет свои магнитные свойства при нагревании, в магнитной цепи создают постоянное магнитное поле, подвергают ферромагнитную вставку нагреву до состояния, при котором она теряет свои магнитные свойства с последующим охлаждением до состояния, при котором магнитные свойства вставки восстанавливаются, полученные за счет последовательных циклических нагревов и охлаждений изменения магнитного поля в замкнутой магнитной цепи используют для изменения величины магнитного поля и генерирования электрической энергии.
В варианте технического решения магнитную вставку выполняют с пониженной точкой Кюри.
В варианте технического решения замкнутую магнитную цепь выполняют из трех ветвей, постоянное магнитное поле создают в центральной ветви, ферромагнитные вставки выполняют в крайних ветвях магнитопровода, в которых и производят поочередные взаимо противоположные циклические нагревы и охлаждения.
Предложенный способ позволяет получать в приемнике (электромагнитной катушке, намотанной на сердечник) знакопеременные импульсы ЭДС, которые после выпрямления и последующего преобразования используют для получения электрической энергии. При этом конструкция устройства, выполненного по данному способу, предельно проста и не содержит каких-либо подвижных кинематических звеньев.
Выполнение магнитной вставки с пониженной точкой Кюри позволяет сократить потери при циклических нагревах и охлаждениях.
Выполнение замкнутой магнитной цепи из трех ветвей, в которых магнитное поле создают в центральной ветви, ферромагнитных вставок - в крайних ветвях магнитопровода и поочередное осуществление взаимо противоположных циклических нагревов и охлаждений ферромагнитных вставок позволяют повысить эффективность получения электрической энергии.
Заявленное изобретение иллюстрируется фигурами.
На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства, реализующего данный способ.
На фиг.2 показан пример применения.
Устройство, реализующее предложенный способ, по преобразованию тепловой энергии в электрическую энергию выполнено следующим образом. Замкнутый магнитопровод 1 (фиг.1) содержит обмотку возбуждения 2, получающую питание от источника постоянного тока (не показан), создающую постоянное поле и формирующую магнитный поток в магнитопроводе. В магнитопроводе 1 имеется вставка 3, выполненная из ферромагнитного материала, обладающего способностью образовывать фазовый переход второго рода, при котором материал теряет свои магнитные свойства при нагревании, с пониженной точкой Кюри. В качестве такого материала может служить, например пермаллой, имеющий температуру фазового перехода, при которой он теряет свои магнитные свойства при пониженной точке Кюри (около 70°С). На магнитопровод намотана обмотка возбуждения 4.
Способ реализуется следующим образом. Вставку 3 подвергают нагреву до температуры, при которой она теряет свои магнитные свойства. Затем эту вставку охлаждают до температуры, при которой магнитные свойства вставки 3 восстанавливаются. Этот процесс нагрева и охлаждения обеспечивают в виде чередующихся циклов. В результате этих циклов в магнитопроводе 1 происходят периодические изменения магнитного потока, что приводит к появлению ЭДС в обмотке 4. При изменении магнитного поля Ф в обмотке 4, согласно закону Максвелла, будет генерироваться э.д.с. в соответствии с формулой:
е=w×dФ/dt,
где w - число витков обмотки 4, dФ/dt - изменение магнитного поля. Полученную, таким образом, э.д.с. можно использовать как источник электрической энергии.
В варианте технического решения замкнутую магнитную цепь выполняют из трех ветвей, постоянное магнитное поле создают в центральной ветви, ферромагнитные вставки выполняют в крайних ветвях магнитопровода, в которых и производят поочередные взаимо противоположные циклические нагревы и охлаждения.
Пример применения. Два одинаковых замкнутых магнитопровода 1 и 1' имеют общую обмотку возбуждения 2 (фиг.2), которая охватывает смежные ветви магнитопроводов. По обмотке 2 протекает постоянный ток, создающий магнитные поля в указанных магнитопроводах. В свою очередь магнитопроводы 1 и 1' содержат ферромагнитные вставки 3 и 3' с пониженной точкой Кюри, обладающие способностью образовывать тепловой фазовый переход. На магнитопроводах имеются приемные обмотки соответственно 4 и 4'. Источником циклических нагревов и охлаждений является воздушный насос 5, поршень которого 6 приводит возвратно-поступательное движение от внешнего привода на (не показан). Насос 5 имеет две замкнутые камеры 7 и 8, разделенные поршнем 6. Камеры с помощью шлангов 9 и 10 механически связаны с вставками соответственно 3 и 3'. Знакопеременный цикл нагрева и охлаждения формируется за счет циклического возвратно-поступательного движения поршня 6. В результате чего имеет место периодическое сжатие и разрежение в камера 7 и 8. В камере, где воздух сжимается, происходит нагревание воздуха, а в камере с разрежением происходит охлаждение воздуха. Через шланги 9 и 10 эта температура передается на соответствующие вставки. Эти циклы и вызывают соответственно поочередный нагрев и охлаждение вставок 3 и 3'. За счет этих циклических нагревов периодически и меняется магнитное состояние в магнитопроводах. Следствием этих изменений является вариация магнитного потока в магнитопроводах 1 и 1' и появление э.д.с. в обмотках. 4 и 4'. Полученное напряжение выпрямляется в выпрямителях 11 и 12 и поступает потребителю электрической энергии. При этом, насос должен иметь охладитель (не показан), предупреждающий постепенное повышение средней температуры в камерах насоса из-за потерь на трение. Насос может быть сочленен, например, с поршневой системой одного из цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Очевидно, что ветви магнитопровода, в котором имеется обмотка возбуждения 2, могут быть объединены в одну ветвь.
Предлагаемое изобретение может найти широкое применение для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию в устройствах, в которых происходят циклические процессы с нагревом и охлаждением. Особенность способа состоит в том, что в системе генерации электроэнергии отсутствуют подвижные кинематические звенья, что способствует высокому КПД системы и высокой ее надежности.
1. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, заключающийся в том, что формируют замкнутую магнитную цепь с ферромагнитной вставкой из материала, обладающего температурой фазового перехода второго рода, при которой материал теряет свои магнитные свойства при нагревании, в магнитной цепи создают постоянное магнитное поле, подвергают ферромагнитную вставку нагреву до состояния, при котором она теряет свои магнитные свойства с последующим охлаждением до состояния, при котором магнитные свойства вставки восстанавливаются, полученные за счет последовательных циклических нагревов и охлаждений изменения магнитного поля в замкнутой магнитной цепи используют для генерирования электрической энергии.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что магнитную вставку выполняют с пониженной точкой Кюри.
3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что замкнутую магнитную цепь выполняют из трех ветвей, постоянное магнитное поле создают в центральной ветви, ферромагнитные вставки выполняют в крайних ветвях магнитопровода, в которых и производят поочередные взаимопротивоположные циклические нагревы и охлаждения.
