專利名稱：熱磁發(fā)電機設備和能量轉(zhuǎn)換方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及一種用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電機設備和
方法。
背景技術：
用于使用最少的移動部件將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置由來已久。
在19世紀末，愛迪生和特斯拉描述了用于將熱能轉(zhuǎn)換成電力 的、基于熱磁性材料的設備。如在英國專利第16709號中描述的愛 迪生熱磁發(fā)電機包括熱磁工作材料、用于磁化工作材料的裝置、 連接到工作材料的熱源和冷源、以及包圍工作材料并且在其中通過 使工作材料熱循環(huán)來感生交變電流的繞組。特斯拉在美國專利第 428057號中通過提出 一種替代的熱交換機制公開了對愛迪生發(fā)電機 的一些改進。
Chilowsky在美國專利第2,510,806號中公開了一種用于熱磁 能量轉(zhuǎn)換的設備，其中通過閉合流體回路中的熱流體和冷流體來實 現(xiàn)溫度改變。
Bartels在德國專利第23 47 377號公開了 一種與愛迪生發(fā)電機 相似的設備，但是提出釓作為磁工作介質(zhì)。在一個實施方式中提供 永磁體以在熱磁性材料中產(chǎn)生磁通，而在另一實施方式中使用電池 在線圏中感生電流，以由此形成用以產(chǎn)生》茲通的電》茲體。
盡管上述裝置確實將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，但是它們看來并不 高效、不緊湊、未針對實際使用而優(yōu)化和/或者對于制造而言不具成 本效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于，提供一種用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā) 電機設備，其具有簡化且改進的結(jié)構和操作。
本發(fā)明的一個具體目的在于，提供這樣一種用于將熱能轉(zhuǎn)換成 電能的設備和方法，該設備和方法提供有效的能量轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的又一目的在于，提供這樣一種設備和方法，其動態(tài)可 控、可靠、靈活和成本合理。
根據(jù)本發(fā)明通過如在所附專利權利要求書中規(guī)定的發(fā)電機設 備和方法來達到這些目的以及其它目的。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)
電機設備，該設備包括磁路，至少包括由磁性材料制成的部分。
提供溫度改變裝置用于在磁性材料的相變溫度(優(yōu)選地居里溫度或 奈耳溫度)以上和以下交替地改變由磁性材料制成的部分中的溫度， 以由此改變磁路中的磁阻。諸如永磁體或者電磁體的設備在磁路中 產(chǎn)生磁通，該磁通通過改變的磁阻而被調(diào)整。在J茲路周圍布置有線 圈，其中響應于在》茲路中的改變的》茲通而感生電能?？煽刎撦d或者 電力電子電路設備連接到線圏，并提供控制設備來控制該可控負載。
這樣的發(fā)電機設備是緊湊的，并且不需要移動的或者旋轉(zhuǎn)的機 械部件?？煽刎撦d被控制以便優(yōu)化發(fā)電機設備的性能。因此，實現(xiàn) 了熱能至電能的有效轉(zhuǎn)換。
另外，該可控負載可以用于各種用途。在本發(fā)明的一個實施方 式中，該可控負載具有電感/電容分量和電阻(有功)分量。其中每 個分量單獨地且獨立地可控。
在本發(fā)明的另一實施方式中，該可控負載具有阻抗，該阻抗的 幅值和相位動態(tài)可控。
在本發(fā)明的又一實施方式中，所述可控負載能夠調(diào)整所述發(fā)電 機設備的有功功率，以及所述控制設備被提供用于經(jīng)由所述可控負 載來控制所述發(fā)電機設備的有功功率。在本發(fā)明的再一實施方式中，電容器并聯(lián)連接到所述線圏，從 而形成諧振電路，以及所述可控負載提供用于啟動在諧振電路中的
諧振振蕩。
可控負載可以實施為以下任何一種設備或者多種設備的組合 AC/AC頻率轉(zhuǎn)換器，電力電子轉(zhuǎn)換器、電壓源轉(zhuǎn)換器、電流源轉(zhuǎn)換 器、以及AC/DC轉(zhuǎn)換器。
控制設備可以進 一 步用于控制在所述磁性材料的相變溫度以 上和以下交替改變由所述磁性材料制成的所述部分中的溫度的幅值 和頻率。
根據(jù)本發(fā)明的另 一 方面，提供了一種用于在發(fā)電機設備中將熱 能轉(zhuǎn)換成電能的方法，該發(fā)電機設備包括磁路，至少包括由磁性 材料制成的部分；以及線圈(7)，布置于所述磁路周圍。根據(jù)該方 法，在所述《茲性材料的相變溫度以上和以下交替地改變由所述》茲性 材料制成的所述部分中的溫度，以由此改變所述磁路的磁阻。磁化 所述磁^各，并且通過改變的石茲阻來調(diào)整實現(xiàn)的》茲通。響應于所述》茲 路中的改變的磁通在所述線圈中感生電能。所述方法進 一 步包括將 可控負載連接到所述線圏以及從控制設備控制所述可控負載的步 驟。
本發(fā)明適合于通過使用例如廢熱、燃燒熱、熱存儲庫能量、地 熱能、太陽能輻射、太陽熱能、海洋熱能或者來自核反應的能量中 的任何能量來進行各種電力生成。
根據(jù)下文給出的對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的詳細描述以及附 圖1至圖6,將清楚本發(fā)明的更多特性及其優(yōu)點，其中這些實施方式 以及圖1至圖6僅通過示例而給出，因此并非對本發(fā)明的限制。


圖1示意地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的熱磁發(fā)電機設備。
圖2示意地示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的熱磁發(fā)電機設備。
圖3以頂視圖示意地示出了可使用于圖2的熱磁發(fā)電機設備中 的旋轉(zhuǎn)閥的例子。
圖4以透視圖示意地示出了可使用于圖2的熱磁發(fā)電機設備中 的旋轉(zhuǎn)閥的另一例子。
圖5以側(cè)視圖示意地示出了可在本發(fā)明的熱磁發(fā)電機設備中 使用的溫度改變設備。
圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的又一實施方式的熱磁發(fā)電 機設備。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的用于將熱直接變換成電能的熱磁 或者磁熱發(fā)電機設備如圖1中所示，包括磁環(huán)或者磁路l、溫度改變 設備5和布置于磁路1周圍的線圏或者繞組7。
磁路可以基本上具有鐵或者其它磁性材料2,但是至少包括磁 性材料制成的部分3，該磁性材料具有例如在區(qū)間0-100。C中的適當 相變溫度。取而代之，》茲^各的基本部分或者整個磁路是具有適當相 變溫度的磁性材料。
提供溫度改變設備5以用于優(yōu)選地以約為1Hz或者以上的頻 率，在具有適當相變溫度的磁性材料的磁相變溫度以上和以下交替 地改變由該磁性材料制成的部分中的溫度。稍后將在本說明書中描 述可以在本發(fā)明中使用的溫度改變設備。磁相變溫度的例子是居里 溫度和奈耳溫度。
在相變溫度以上和以下的迅速溫度改變造成^茲性材料的導磁 率的急劇改變，并且因此造成磁路1的磁電阻或者磁阻的迅速改變。 具體而言，當施加恒定i茲場時，石茲^[匕迅速i也改變。
假如在磁路1中提供磁通，磁阻的迅速改變將調(diào)整該磁通，由 此在磁路1中獲得迅速改變的磁通。結(jié)果，在線圈7中獲得磁通勢 和交變電流。磁通可以由永磁體或者如在圖1中那樣由電磁體提供。 有利地以新穎方式從在線圈中感生的電流獲取用于電》茲體的
電流。為此，電容器9與線圈7并聯(lián)連接，以由此形成諧振電路ll， 其中對在磁性材料的相變溫度以上和以下的溫度改變的頻率進行調(diào) 節(jié)，以優(yōu)化向諧振電路11的諧振能量傳遞。
有利地，諧振電路ll的諧振頻率與在磁性材料的相變溫度以 上和以下的溫度改變的頻率之比約為1/2或者n/2，其中n是正整數(shù)。
因此，單個線圈將用于將熱轉(zhuǎn)換成電能，并且用于在磁路l中 提供磁通。這樣的方向交變的場提供一種成本效率更高的裝置。
在第一熱循環(huán)的一半中感生的電流/電荷的一部分(例如大部 分)由電容器9存儲，并且在第一熱循環(huán)的后一半中用來在磁路1 中生成磁通。此第一熱循環(huán)對應于電循環(huán)的一半。在第二熱循環(huán)中 以使電流和電壓相移180度來重復該過程。
為了能夠控制由線圏7和電容器9形成的電路的諧振頻率和電 抗，完全可控負載或者電力電子電路設備13跨接電容器9上。優(yōu)選 地，該負載具有電感分量/電容分量和電阻分量，每個分量均單獨且 獨立地可控。有利地，該負載可以用來調(diào)節(jié)有功功率。提供適當控 制設備15用于控制負載13?？梢蕴峁┎煌瑴y量設備，如熱傳感器 16、電流互感器17和電壓互感器18，以向控制設備15供應適當測 量數(shù)據(jù)。熱傳感器16可以向控制設備15供應在具有適當相變溫度 的磁性材料中或該磁性材料處、或者在溫度改變設備5中或該溫度 改變設備處瞬時測得的溫度數(shù)據(jù)?；ジ衅?7、 18可以向控制設備15 供應在諧振電路11中瞬間測量的電壓和電流數(shù)據(jù)。
因此，可以動態(tài)地控制負載的阻抗的幅度和相位。阻抗的改變 頻率和周期是可控的，并且諧振電路11的諧振頻率和周期也是如此。
另外，控制設備15可以被配置成控制溫度在相變溫度以上和 以下的迅速改變的幅度和頻率。
另外，可以提供控制i殳備15以例如通過向》茲路1遞送電流脈 沖來啟動發(fā)電機設備的操作，即開始諧振振蕩。上述發(fā)電機設備可以是緊湊的，而基本上沒有移動部件、也沒 有向機械能的轉(zhuǎn)換或者從機械能的轉(zhuǎn)換。操作容易控制，并且可以 在循環(huán)期間通過調(diào)節(jié)輸出功率來優(yōu)化效率。
應當理解，多個圖1的發(fā)電機設備可以連接在一起形成多相發(fā) 電機設備。例如，三個圖1的發(fā)電機設備可以連接在一起并且相對
于^皮此相移120。，以形成三相發(fā)電扭3殳備。
接著參照圖2，將簡短地積克述#4居本發(fā)明又一實施方式的多相 熱磁發(fā)電才幾設備。
這一實施方式與先前實施方式使用相同的標號來表示相似部 分和細節(jié)。
提供僅三個示意地表示的磁路1，每個磁路是參照圖l描述的 類型，并且每個磁路可操作地連接到相應LC電路11,其包括并聯(lián) 連接的繞組或者線圏7和電容器9。每個LC電路11的諧振頻率與 前文一樣基本相似于如由溫度改變設備5產(chǎn)生的溫度改變的頻率。
溫度改變設備5包括外部部分，該外部部分包括其中通過饋送 泵22來使熱流體流通的第一外部管道裝置21和其中通過饋送泵24 來使冷流體流通的第二外部管道裝置23。外部部分的熱流體和冷流 體完全相互隔離且與磁路1的材料隔離。
第 一外部管道裝置21中的熱流體經(jīng)由第 一熱交換器26將熱傳 遞到第一中間管道裝置25中的流體，而第二外部管道裝置23中的 冷流體經(jīng)由第二熱交換器28將冷傳遞到第二中間管道裝置27中的 流體。第一中間管道裝置和第二中間管道裝置25、 27中的每個均連 接于第一閥裝置29與第二閥裝置30之間，以將流體從第一閥裝置 29傳送到第二閥裝置30。第一和第二閥裝置29、 30有利地基于旋 轉(zhuǎn)閥，在圖3-4中公開了旋轉(zhuǎn)閥的例子。
應當理解，外部部分可以替換成用于在熱交換器26和28中傳 遞熱和冷的任何其它種類的裝置。例如，熱可以經(jīng)由焚燒爐、熱沙、
太陽能加熱板等在第一熱交換器26中傳遞到第一中間管道裝置25
中的流體。最后，第一內(nèi)部管道裝置31、第二內(nèi)部管道裝置32和第三內(nèi) 部管道裝置各自經(jīng)由磁路1中相應的磁路連接于第二閥裝置30與第 一閥裝置29之間。
單種流體在包括中間和內(nèi)部管道裝置以及第 一和第二閥裝置 的溫度改變設備5的內(nèi)部部分中流動。該內(nèi)部部分因此提供閉合流 體回路。
提供第二閥裝置30以用于優(yōu)選地以其間120。相移將來自第一 中間管道裝置25的熱流體和來自第二中間管道裝置27的冷流體交 替地切換到第一、第二和第三內(nèi)部管道裝置31、 32、 33中的每個內(nèi) 部管道裝置中。因此，第二閥裝置30"斬斷"了熱流體和冷流體并且 形成饋送到每個內(nèi)部管道裝置中的熱冷交替流體脈沖的串。隨著熱、 冷流體脈沖穿過磁路1的磁性材料或者經(jīng)過該材料中的孔，將如上 文結(jié)合圖1的實施方式描述的那樣，交替地將磁性材料加熱到相變 溫度以上以及將^茲性材料冷卻到相變溫度以下。
如在本文中使用的術語"熱流體"和"冷流體"旨在于表明"溫度 在磁路的部分3的磁性材料的相變溫度以上的流體"和"溫度在磁路 的部分3的》茲性材料的相變溫度以下的流體"。
可以將磁性材料提供為優(yōu)選相互平行布置的平行片或者平行 板、顆粒、小球、線、織物等，從而允許流體在層流或者湍流中以 大接觸表面與磁性材料交換熱。
在已經(jīng)通過磁性材料之后，熱、冷流體脈沖之間的溫度改變更 小和更平穩(wěn)。熱、冷流體脈沖串然后在相應內(nèi)部管道裝置31、 32、 33中返回到第一閥裝置29,這與熱、冷流體脈沖串同步。
因此，提供第一閥裝置29用于將較熱流體脈沖從第一、第二 和第三內(nèi)部管道裝置31、 32、 33交替地切換到第一中間管道裝置25 中而將較冷流體脈沖從第一、第二和第三內(nèi)部管道裝置31、 32、 33 切換到第二中間管道裝置27中。因此，較熱和較冷流體脈沖返回到 它們源自于其中的相應中間管道裝置。第 一 中間管道裝置25中的流 體然后返回到第一熱交換器26以便再次被加熱，而第二中間管道裝置27中的流體然后返回到第二熱交換器28中以便再次被冷卻。 內(nèi)部部分中的流體由々貴送泵34、 35在單個方向上驅(qū)動。 圖2的旋轉(zhuǎn)閥29、 30有利地裝配于單個軸上，以在其間有適 當相移的情況下被同時/同步旋轉(zhuǎn)。
在第一閥裝置29的一個替代實施方式中，特別是當較熱與較 冷流體脈沖之間的溫度差異小時，來自第一、第二和第三內(nèi)部管道 裝置的較熱和較冷流體脈沖可以不必切換回到第二和第 一 中間管道 裝置中。因此，可以省卻第一閥裝置29，而可以代之以使用另一種 無源分發(fā)或者混合裝置以便將流體返回到第二和第 一 中間管道裝 置。如果使用開放回路，則無需返回流體。
在圖3中公開了將在本發(fā)明中使用的旋轉(zhuǎn)閥40的例子?？招?圓柱體或者柱形外殼41容納對稱布置的可旋轉(zhuǎn)軸42，其中兩個葉片 或者翼部43固定地附接到該軸。與柱形外殼41緊密配合地提供優(yōu) 選為隔熱的兩個葉片43，并且這些葉片限定旋轉(zhuǎn)閥的兩個基本上分 離且相同的腔室或者隔室44a-b。軸42和葉片43有利地借助軸承而 裝配于柱形外殼41中，并且提供例如電機這樣的裝置以在軸42上 施加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。取而代之，經(jīng)由附接到軸42的內(nèi)部推進器等和/或經(jīng) 由流中的自推進來施加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。
第一腔室44a連接到第一中間管道裝置25并且被配置成從該 管道裝置接收熱流體，而第二腔室44b連接到第二中間管道裝置27 并且被配置成從該管道裝置接收冷流體。為此，在旋轉(zhuǎn)閥的相應軸 向端相對于軸42和葉片43固定地提供相應半圓蓋板(未明確地圖 示)，其中蓋板在操作期間隨著軸42和葉片43旋轉(zhuǎn)。第一蓋板覆 蓋第二腔室44b并且防止熱流體在連接到第 一 中間管道裝置25的軸 向端進入第二腔室44b,而第二蓋板覆蓋第一腔室44a并且防止冷流 體在連接到第二中間管道裝置27的軸向端進入第一腔室44a。
在所示例子中，六個出口 45a-f優(yōu)選地相互之間等距離沿周邊 布置于外殼41中。在操作期間，軸42和葉片43相對于外殼41和 出口 45a-f穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)，熱、冷流體的穩(wěn)定軸向流分別進入也相對于外殼41和出口 45a-f旋轉(zhuǎn)的腔室44a-b中，由此使每個出口 45a-f交 替地輸出熱、冷流體脈沖。旋轉(zhuǎn)速度控制熱、冷流體脈沖的波長和 頻率，而出口的角度間隔控制相位。
在圖3中，葉片43被定向成使得從接收熱流體的腔室44a經(jīng) 過出口 45a-c輸出熱流體，而從接收冷流體的腔室44b經(jīng)過出口 45d-f 輸出冷流體。隨著葉片順時針旋轉(zhuǎn)，出口 45a從輸出熱流體切換成 輸出冷流體，而出口 45d從輸出冷流體切換成輸出熱流體等等。
旋轉(zhuǎn)閥一般具有至少兩個出口 ，并且優(yōu)選地具有偶數(shù)個出口以 便使壓力梯度和改變最小。對于圖2中所示具體實施方式
，用于交 替地輸出熱、冷流體的旋轉(zhuǎn)閥具有三個出口。
另外，旋轉(zhuǎn)閥可以包括四個或者更多葉片，并且因而包括交替 地連"l妻到熱、冷流體的四個或者更多腔室。因此，可以增加溫度改 變的頻率。
盡管已經(jīng)將上述旋轉(zhuǎn)閥描述為在不同腔室中接收熱、冷流體并 且在旋轉(zhuǎn)閥的周邊處的多個出口中的每個出口交替地輸出熱、冷流 體，但是它同樣適用于比如圖2的旋轉(zhuǎn)閥29這樣的旋轉(zhuǎn)閥，即在旋 轉(zhuǎn)閥的周邊處的多個入口中的每個入口交替地接收熱、冷流體并且 經(jīng)由不同腔室軸向地輸出熱、冷流體的旋轉(zhuǎn)閥。
為了配合圖2的實施方式，每個旋轉(zhuǎn)閥應當有利地在其周邊具 有三個入口/出口 。
在圖4中公開了將在本發(fā)明中使用的旋轉(zhuǎn)閥40，的一個替代例 子，其與圖3的旋轉(zhuǎn)閥不同之處在于葉片43替換成橢圓形盤43，， 該橢圓形盤43，在傾斜位置固定地附接到軸42。與柱形外殼41緊密 配合地布置橢圓形盤43，以限定第一和第二腔室44a-44b。在軸向位 置并且以傾斜角度布置橢圓形盤43，，從而使得隨著軸42和橢圓形 盤43，相對于柱形外殼41旋轉(zhuǎn)，在柱形外殼41的周邊處的每個出口 /入口 45a-f交替地與第一和第二腔室44a-44b流體連接。與圖3的旋 轉(zhuǎn)閥40的軸向端相似，旋轉(zhuǎn)閥40，的每個軸向端可以連"^妾到第一和 第二中間管道裝置25、 27中的相應管道裝置?？梢酝ㄟ^從直徑比柱形外殼的內(nèi)徑略小的預先鉆孔的實心圓 柱體切割橢圓形板來制作該橢圓形板。大量出口使與掃過出口的圓柱形盤43，關聯(lián)的可能壓力改變最 小。在這樣的活動的高峰期間，盤43，可以根據(jù)所選實際設計來覆蓋 整個出口區(qū)域(在出口流中需要容許一些不穩(wěn)定性)或者它的僅一 部分(在出口流中需要容許一些混合)。假如流體壓力在兩個腔室 中相等，由于對稱性而預見作用在盤43，和軸42上的力較小。也出 于相同原因，可以允許盤43，與柱形外殼41的壁之間有小間隔，從 而在僅混合數(shù)量可忽略的流體的情況下減少或者消除固體到固體的 接觸力。例如可以借助膨脹、彎曲和/或扭曲將盤43，適當?shù)卣?，由?為了流中的軸/盤組合的自推進而需要除了橢圓形之外的形狀。如參照圖3和圖4已經(jīng)描述的旋轉(zhuǎn)閥能夠在次第二(sub-second) 規(guī)模的最少混合的情況下將具有不同特性的工業(yè)規(guī)模數(shù)量的流體分 布到一個共同出口 (或者數(shù)個共同出口)。旋轉(zhuǎn)閥在來自切換的擾 動最小、切換功率需求最小并且壽命長而且能夠切換數(shù)以百萬次循 環(huán)的情況下允許穩(wěn)定的流體流動。常規(guī)閥和活塞泵過于緩慢，頗具 破壞性(流動停止、壓力波)，功率要求高，和/或在相當短的多次 循環(huán)之后磨損。因此，旋轉(zhuǎn)閥可以不僅用于產(chǎn)生熱、冷流體脈沖串這一應用， 而且可適用于各種工業(yè)過程，這些過程包括將具有不同特性的流體 交替地分布到共同出口中、按照每秒數(shù)次循環(huán)的速率在混合最少的 情況下連續(xù)數(shù)年保持流體分離。流體具有優(yōu)選大體上相似的流體性 質(zhì)，例如涉及密度、粘度等。它們可以由不同物質(zhì)(如水和乙醇)、 或者由性質(zhì)狀態(tài)不同的相同物質(zhì)(如熱水和冷水)組成。通過如上文參照圖2描述的溫度改變設備5來實現(xiàn)準連續(xù)或者 連續(xù)方式的熱循環(huán)。借助于讓流體在單向閉合回路中流通來完全地 避免在使用閥接通和關斷流體流時具有破壞性以及能量效率低的傳 統(tǒng)循環(huán)。然而，旋轉(zhuǎn)閥可以替換成^皮打開或者閉合，以便獲得上述操作的普通閥的布置。上述平穩(wěn)連續(xù)熱循環(huán)同樣可以實施于兩相發(fā)電機設備中或者 甚至實施在單相發(fā)電機設備中。在后一種情況下，需要兩個旋轉(zhuǎn)閥， 每個旋轉(zhuǎn)閥具有在閥外殼沿周邊布置的兩個入口/出口 。從出口輸出 的熱冷交替的流體流中的 一 個流體流要么直接地連接到返回旋轉(zhuǎn)閥 相，或者被適當?shù)匮舆t、然后與熱冷交替的流體流中的另一流體流 匯合以獲得具有雙倍流速的熱冷交替的流體的單個流。熱冷交替的 流體流中的不同流體流之間的壓力差可以有利地由附加流通泵來平 衡。內(nèi)部閉合回路中使用的流體可以是可選地已經(jīng)增添添加物的水或者4壬<可其它流體?？梢蕴砑訙p少對》茲性材沖牛的腐蝕的添加物。 除此之外，或者耳又而代之，還可以添加其它添加物，諸如熱鹽等， 其相變按照磁性材料的相變溫度來調(diào)節(jié)，以由此增加流體熱容量。優(yōu)選地，磁性材料是釓或者包括釓的合金。取而代之，具有適 當相變溫度的磁性材料是鉍、鋅、銻、碲、硒、鉛、硅、鍺、錫、鎂、錳、砷、鎳、鑭、鎵、磷、4丐、鋇、鍶、鐿、鐵或者其任何合 金或者化合物中的任一種。請注意，并非所有上述元素有磁性，但 是可以在這樣的實例中與^茲性材料一起使用以修改它的》茲相變特 性。上述元素中的一些在本發(fā)明的磁性材料中作為氧化物存在，或 者存在于任何其它種類的化學化合物中。圖2的多相發(fā)電機設備還有利地包括在輸出與三個發(fā)電機單 元或者三個相的電容器9連接的功率轉(zhuǎn)換設備。控制線圏7和功率 轉(zhuǎn)換設備以匹配熱改變的循環(huán)，并且由此實現(xiàn)從電路分接最佳能量。 功率轉(zhuǎn)換設備可以包括AC/DC頻率轉(zhuǎn)換器或者AC/AC頻率轉(zhuǎn)換 器，或者電力電子轉(zhuǎn)換器，包括電流或者電壓源轉(zhuǎn)換器36,其包含 整流器和在整流器的直流側(cè)的逆變器。除此之外，或者取而代之，電池還連接于DC側(cè)。如果來自發(fā) 電機的功率輸出波動很大，則這是特別有利的。變換器37連接到電壓源轉(zhuǎn)換器36的輸出，以將來自多相發(fā)電機的約為lkV和1Hz的輸出電壓和頻率變換成適合于正常電網(wǎng)連接 的頻率和電壓(50Hz、 10kV)。設備的額定值通常大于lkW。優(yōu)選地，提供本發(fā)明的發(fā)電機設備用于范圍為100kW到50MW 并且更優(yōu)選地范圍為l-5MW的發(fā)電。數(shù)個發(fā)電機設備可以一起布置 為用以生成約為10-50MW的電力的才莫塊。可以提供發(fā)電廠控制系統(tǒng)用于例如如參照圖1描述的那樣測 量發(fā)電機設備的性能并且優(yōu)化功率輸出?？梢蕴峁└鄠鞲衅髟O備 (未圖示)用于測量溫度改變流體的流速，并且可以提供控制系統(tǒng) 用于控制溫度改變流體的流速以及旋轉(zhuǎn)閥的速度。上述發(fā)電機設備能夠進行對電子諧振電路中的振蕩的主動控 制以便獲得與磁性材料的溫度改變的最佳相關。可以與循環(huán)最佳同 步地輸出有功功率。提供相互分離的內(nèi)部部分和外部部分并非是必需的。例如，可 以例如從(液壓)熱鉆孔直接地獲取并且經(jīng)由次級或者返回鉆孔返 回熱5危體。接下來將參考圖5公開在本發(fā)明的熱磁發(fā)電機設備中使用的 溫度改變裝置的另一實施方式。該實施方式使用了4吏存+者流體枳4成 能的兩個垂直流體柱之間的流體振蕩的原理。該實施方式優(yōu)選地包括兩個容器51、 52,其布置在發(fā)電機設 備的磁路的具有適當相變溫度的磁性材料3之上。這兩個容器51、 52經(jīng)由磁性材料3彼此流體連通。熱源53配置用于加熱在其中一個 容器51中或者其鄰近的流體，冷源54配置用于冷卻在容器中另一 容器52中或者其鄰近的流體。流體來回震蕩，使熱冷交替的流體與 磁性材料3接觸，以在磁性材料的相變溫度以上或者以下交替地加 熱和冷卻磁性材料。泵55或其他饋送設備被提供用于增加由于摩擦 而損失的能量，以便保持振蕩流體的幅值。在本發(fā)明的熱磁發(fā)電機設備中使用的溫度改變設備的又一 實 施方式包括借助于活塞在閉合回路中振蕩流體，以及可選地使用彈 簧來存儲機械能。適當?shù)尿?qū)動系統(tǒng)例如經(jīng)由磁感應而適當?shù)赜糜谘a償摩擦損失。接下來，參考圖6,根據(jù)本發(fā)明的又一實施方式的熱》茲發(fā)電機設備與圖1所示實施方式的不同之處在于，該磁路包括永磁體60， 其提供用于在磁路1中生成磁通4> (t)，該磁通由改變的磁阻來調(diào)整，該改變的磁阻是由在具有適當相變溫度的磁性材料制成的部分中的 溫度交替在該磁性材料的^茲相變溫度以上和以下改變引起的?？梢允÷噪娙萜?和電流互感器17其中一個電流互感器，圖 6的實施方式在其他方面與圖1的實施方式類似。應當理解，在根據(jù)本發(fā)明的又一實施方式的熱磁發(fā)電機設備 (未示出)中，永磁體60被換成單獨的線圏和電流饋送，因而形成 了用于磁化磁路1的電磁體。本發(fā)明的發(fā)電機設備有利地用于通過使用廢熱、燃燒熱、熱存 儲庫能量、地熱能、太陽能輻射、太陽熱能、或海洋熱能中的任何 能量來發(fā)電。
權利要求
1.一種用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電機設備，包括-磁路(1)，至少包括由磁性材料制成的部分(3)；-溫度改變裝置(5)，用于在所述磁性材料的相變溫度以上和以下交替地改變由所述磁性材料制成的所述部分中的溫度，以由此改變所述磁路的磁阻；-線圈(7)，布置于所述磁路周圍，其中響應于所述磁路中的改變的磁通來感生電能；以及-用于在所述磁路中產(chǎn)生磁通的裝置，其特征在于，所述發(fā)電機設備包括可控電路設備(13)，連接至所述線圈和被提供用于控制所述可控電路設備(13)的控制設備(15)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電機設備，其中所述電路設備能夠 控制電壓和電流，以使得具有電感或電容分量以及電阻分量，每個 所述分量均單獨且獨立地可控，所述控制設備(15)被提供用于單 獨地控制所述可控電路設備(13)的電感/電容和電阻。
3. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電機設備，其中所述電路設備具有 阻抗，該阻抗的幅值和相位動態(tài)可控，以及所述控制設備(15)被 提供用于動態(tài)地控制所述可控電路設備(13)的幅值和相位。
4. 根據(jù)權利要求1-3中任一權利要求所述的發(fā)電機設備，其中 所述電路設備能夠調(diào)整所述發(fā)電機設備的有功功率，以及所述控制 設備被提供用于通過控制所述可控電路設備來控制所述發(fā)電機設備 的有功功率。
5. 根據(jù)權利要求1-4中任一權利要求所述的發(fā)電機設備，包括 熱傳感器(16),提供用于瞬時地感測由所述磁性材料制成的至少 部分(3)中或者該部分處的溫度，其中所述控制設備被提供用于響 應于所述感測的溫度來控制所述可控電路設備。
6. 根據(jù)權利要求1-5中任一權利要求所述的發(fā)電機設備，包括電壓和/或電流測量裝置(17， 18)，提供用于瞬時地測量所述線圏 (3)中或者該線圈處的電壓和/或電流，其中所述控制設備被提供用 于響應于所述測量的電壓和/或電流來控制所述可控電路設備。
7. 根據(jù)權利要求1-6中任一權利要求所述的發(fā)電機設備，其中 通過所述溫度改變裝置(5)執(zhí)行的、在所述磁性材料的相變溫度以 上和以下交替地改變由所述》茲性材沖+制成的所述部分中的溫度的幅 值和頻率是可控的，以及所述控制設備(15)被提供用于控制在所 述磁性材料的相變溫度以上和以下交替地改變由所述^茲性材沖牛制成 的所述部分中的溫度的幅值和頻率。
8. 根據(jù)權利要求1-7中任一權利要求所述的發(fā)電機設備，其中 所述溫度改變裝置(5)被配置為使熱、冷流體交替地穿過每個所述 磁路中由所述磁'性材料制成的所述部分或者經(jīng)過所述部分中的孔， 以由此在所述磁性材料的所述相變溫度以上和以下交替地改變由所 述磁性材料制成的所述部分中的溫度。
9. 根據(jù)權利要求8所述的發(fā)電機設備，包括傳感器設備，提供 用于測量熱冷交替的流體的流速或壓力，其中所述控制設備被提供 用于響應于所述感測的流速或壓力來控制熱冷交替的流體的流速。
10. 根據(jù)權利要求1-9中任一權利要求所述的發(fā)電機設備，包括 連接至所述線圈的AC/AC頻率轉(zhuǎn)換器(35)。
11. 根據(jù)權利要求1-9中任一權利要求所述的設備，包括連接至 所述線圏的電力電子轉(zhuǎn)換器(35)。
12. 根據(jù)權利要求10或11所述的設備，其中所述轉(zhuǎn)換器包括電 壓源轉(zhuǎn)換器和/或電流源轉(zhuǎn)換器。
13. 根據(jù)權利要求1至9中任一權利要求所述的設備，包括連接 至所述線圈的AC/DC轉(zhuǎn)換器(35)。
14. 根據(jù)權利要求1至13中任一權利要求所述的發(fā)電機設備，其中用于在所述磁路中產(chǎn)生磁通的所述裝置包括所述線圏和與所述 線圈并聯(lián)連接的電容器，從而形成諧振電路(11)。
15. 根據(jù)權利要求14所述的發(fā)電機設備，其中所述電路設備能夠優(yōu)選地通過向磁路(1 )遞送電流脈沖而啟動所述諧振電路中的諧 振振蕩，所述控制設備提供用于控制所述諧振振蕩的啟動。
16. 根據(jù)權利要求1至13中任一權利要求所述的發(fā)電機設備， 其中用于在所述磁路中產(chǎn)生磁通的所述裝置包括永磁體。
17. 根據(jù)權利要求1至13中任一權利要求所述的發(fā)電機設備， 其中用于在所述》茲路中產(chǎn)生磁通的所述裝置包括電磁體。
18. 根據(jù)權利要求1至17中任一權利要求所述的發(fā)電機設備， 其中所述溫度改變裝置提供用以在單個方向上使熱、冷流體交替地 穿過所述磁路中由所述磁性材料制成的所述部分或者經(jīng)過該部分中 的孔，以由此在所述f茲性材料的所述相變溫度以上和以下交替地改 變由所述磁性材料制成的所述部分中的溫度。
19. 根據(jù)權利要求1至18中任一權利要求所述的發(fā)電機設備， 其中所述溫度改變裝置包括旋轉(zhuǎn)閥，所述旋轉(zhuǎn)閥具有柱形外殼 41);對稱布置于所述外殼中的軸(42);構件(43; 43，)，固 定地附接到所述軸并且與所述柱形外殼緊密配合，由此在所述外殼 內(nèi)限定基本上分離的腔室(44a-b);沿著所述外殼的周邊固定地布 置的多個出口或者入口 (45a-f);以及多個軸向布置的入口或者出 口，每個入口或者出口固定地連接到所述分離的腔室中的相應腔室，其中-所述分離的腔室并且由此所述軸向布置的入口或者出口響應 于所述軸和所述構件相對于所述外殼的旋轉(zhuǎn)來與沿著所述外殼的周 邊固定地布置的每個所述出口或者入口交替地流體連接。
20. —種多相發(fā)電機，包括多個根據(jù)權利要求1至19中的任一 權利要求所述的用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電機設備。
21. —種根據(jù)權利要求1-19中任一權利要求所述的發(fā)電機設備 的用途，用于通過使用廢熱、燃燒熱、熱存儲庫能量、地熱能、太 陽能輻射、太陽熱能、海洋熱能或者來自核反應的能量中的任何能 量來生成電力。
22. —種用于在發(fā)電機設備中將熱能轉(zhuǎn)換成電能的方法，所述發(fā)電機設備包括磁路(l)，至少包括由磁性材料制成的部分(3); 以及線圏(7)，布置于所述磁路周圍，所述方法包括以下步驟-在所述磁性材料的相變溫度以上和以下交替地改變由所述》茲 性材料制成的所述部分中的溫度，以由此改變所述磁路的,茲阻；-磁化所述磁路；以及-響應于周圍布置有所述線圈的所述磁路中的改變的磁通，在所 述線圈中感生電能，其特征在于以下步驟-將可控電路設備(13)連接到所述線圏；以及-通過控制設備(15)控制所述可控電路設備(13)。
全文摘要
一種用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電機設備包括磁路(1)，至少包括由磁性材料制成的部分(3)；溫度改變裝置(5)，用于在磁性材料的相變溫度以上和以下交替地改變由磁性材料制成的部分中的溫度，以由此改變磁路的磁阻；線圈(7)，布置于磁路周圍，其中響應于磁路中的改變的磁通來感生電能；以及用于在磁路中產(chǎn)生磁通的裝置(60)。該發(fā)電機設備包括可控電路設備(13)，連接至線圈和提供用于控制該可控電路設備(13)的控制設備(15)。
文檔編號H01L37/04GK101647128SQ200880010226
公開日2010年2月10日 申請日期2008年3月18日 優(yōu)先權日2007年3月28日
發(fā)明者G·魯斯伯格, M·達爾格倫, S·索爾伯恩 申請人:Abb研究有限公司