專利名稱：用于轉(zhuǎn)換能量的設備和方法
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來公開對愛迪生發(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，其中通過閉合流體電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；茲體以在熱磁性材料中產(chǎn)生磁通，而在另一實施方式中4吏用電池 在線圈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)換成電能的設 備，其具有簡化且改進的結(jié)構(gòu)和操作。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的方 法，該方法更加可靠且能夠;陂效率優(yōu)化。
本發(fā)明的又一目的在于，提供這樣一種設備和方法，通過該設 備和方法可以實現(xiàn)對能量轉(zhuǎn)換設備的磁路的》茲化的主動控制。
本發(fā)明的再一目的在于，提供這樣一種設備和方法，通過該設 備和方法能夠與能量轉(zhuǎn)換設備的磁路的熱循環(huán)最優(yōu)同步地分接出有 功電能。
本發(fā)明的又一目的在于，提供這樣一種設備和方法，其可控、 靈活且成本合理。
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，提供了一種用于將熱能變換成電能的
設備，該設備包括磁路，至少包括由磁性材料制成的部分；溫度 改變裝置，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》茲路中的石茲阻，以及線圏 或者繞組，布置在》茲;洛周圍，其中響應于^^各中的改變的i茲通而交
替感生電能。
這樣的相變溫度的例子是居里點或居里溫度，和奈耳溫度。鐵 磁性材料的居里點是如下溫度，在該溫度以上鐵磁材料失去它的特 性鐵磁能力。奈耳溫度是如下溫度，反鐵磁性材料在該溫度變?yōu)轫?磁性——也就是如下溫度，熱能在該溫度變得大到足以破壞材料中 的宏觀磁排序。奈耳溫度對于鐵磁性材料而言類似于居里溫度。
該設備包括與線圏并聯(lián)連接的電容器，以形成電子諧振電路， 其中電子諧振電路的諧振頻率與在相變溫度以上和以下的溫度改變 的頻率優(yōu)化了至電子諧振電路的諧振能量傳遞。有利地，諧振電路 的諧振頻率與在磁性 料的相變溫度以上和以下的溫度改變的頻率之比大約為1/2或n/2，其中n為正整數(shù)。
由此，來自每個循環(huán)的電能存儲在電容器中，并且用于在后面 的循環(huán)中磁化磁路。
這樣的設備是緊湊的并且不需要移動部件或者旋轉(zhuǎn)機械部件， 不需要附加的機械至電能轉(zhuǎn)換單元，例如AC發(fā)電機，不需要永磁 體，不需要附加的DC線圏。
在一個實施方式中，可控負載跨接在電容器上，以便調(diào)整每個 循環(huán)期間的輸出功率，從而控制該設備的操作。于是，該設備可以 實現(xiàn)效率優(yōu)化。
在本發(fā)明的另 一 實施方式中，溫度改變設備通過在閉合流體回 路或者可能的開》文流體回路中在單方向上使流體流通而以準連續(xù)的 方式來引起熱循環(huán)。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提供了 一種用于將熱能轉(zhuǎn)換為電能的 方法。根據(jù)本發(fā)明的方法，在至少包括由磁性材料制成的部分的磁 路中提供磁通。由磁性材料制成的部分中的溫度在磁性材料的相變 溫度以上和以下交替改變，以由此改變^茲^各中的-茲通。響應于在磁 路中改變的磁通，在布置于磁路周圍的繞組或者線圏中感生電能。 利用在線圏中感生的電能對電容器進行交替地充電并對該電容器放 電，以便為線圏提供電流，從而在磁路中產(chǎn)生》茲通。
電容器以選定的頻率交替地充電(交替地正向、負向充電)和 放電，由磁性材料制成的部分中的溫度以選定的頻率交替地在磁性 材料的相變溫度以上和以下改變，其中該頻率優(yōu)選地近似才艮據(jù)以下 式而〗皮此相關
co0 =n Q0/2
其中，(D。是由線圏和電容器形成的諧振電路的諧振頻率，Qo是由磁 性材料制成的部分的溫度改變的頻率。上述頻率由描述強迫振蕩器 中的參量諧振現(xiàn)象的馬修(Mathieu)方程來導出。
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生成各種電力。
至圖5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5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示意性地示出了可在本發(fā)明的熱》茲發(fā)電機設備中使用的 溫度改變設備的側(cè)視圖。
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，磁路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》茲
率的急劇改變，并且因此造成磁;洛i的》茲電阻或者》茲阻的迅速改變。 具體而言，當施加恒定》茲場時，迅速地改變》茲化。
假如在磁路i中提供磁通，磁阻的迅速改變將調(diào)整該磁通，由 此在磁路i中獲得迅速改變的磁通。結(jié)果，在線圏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i中那樣由電磁體提供。 有利地以新穎方式從在線圏中感生的電流獲取用于電磁體的
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11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1 1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，可以提供控制設備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彼此相移120。以形成三相發(fā)電機設備。接著參照圖2,將簡短地概述根據(jù)本發(fā)明又一實施方式的多相 熱磁發(fā)電機設備。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) 連接的繞組或者線圈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》茲i 各1的材沖+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i殳備5的內(nèi)部部分中流動。該內(nèi)部部分因此才是供閉合流 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 溫度以上以及將磁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》茲性材沖牛的相變溫度以下的流體"?？梢詫⒋判圆牧咸峁閮?yōu)選相互平行布置的平行片或者平行 板、顆粒、小^求、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^反(未明確地圖片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4吏每個出口 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 連接到熱、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4妄收熱、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接到第一和 第二中間管道裝置25、 27中的相應管道裝置。
可以通過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，乂人 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)閥可以替換成被打開或者閉合，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
水或者任何其它流體?？梢蕴砑訙p少對/磁性材^+的腐蝕的添加物。 除此之外或者取而代之，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)，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、釣、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磁性材料 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?？刂凭€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) 。 i殳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)電才幾設備可以凈皮一起布 置為用以生成約為10-50MW的電力的模塊。
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?？梢耘c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
回熱力i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 溫度改變設備的另一實施方式。該實施方式使用了使存儲流體機械 能的兩個垂直流體柱之間的流體振蕩的原理。
該實施方式包括優(yōu)選地兩個容器51、 52,其布置在發(fā)電機設 備的磁路中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。
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、海洋熱能或者來自核 反應的能量中的任何能量來發(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；以及-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磁通來感生電能，其特征在于所述設備包括-電容器(9)，與所述線圈并聯(lián)連接，以由此形成諧振電路(11)，其中-在所述相變溫度以上和以下的所述溫度改變的頻率和所述諧振電路的諧振頻率優(yōu)化至所述諧振電路的諧振能量傳遞。
2. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述諧振電路的諧振頻率比大約為n/2,其中n為正整數(shù)。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的設備，其中所述電容器被提供用 以交替地存儲在所述線圈中感生的電能，并且為所述線圈提供電流 以{更在所述磁路中產(chǎn)生石茲通。
4. 根據(jù)權利要求1-3中任一權利要求所述的設備，包括連接到 所述電容器的可控負載(13);以及用于控制該負載的控制設備(15)。
5. 根據(jù)權利要求1-3中任一權利要求所述的設備，包括連接至 所述電容器的AC/AC頻率轉(zhuǎn)換器(35)。
6. 根據(jù)權利要求1-3中任一權利要求所述的設備，包括連接至 所述電容器的電力電子轉(zhuǎn)換器(35)。
7. 根據(jù)權利要求6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。
8. 根據(jù)權利要求1至3中任一權利要求所述的設備，包括連接 至所述電容器的AC/DC轉(zhuǎn)換器(35)。
9. 根據(jù)權利要求1至8中任一權利要求所述的設備，其中所述 溫度改變裝置被提供用于在單個方向上使熱、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)過所述部分中的 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。
10. —種多相發(fā)電機，包括多個根據(jù)權利要求1至9中任一權利 要求所述的用于將熱能轉(zhuǎn)換為電能的設備。
11. 根據(jù)權利要求IO所述的多相發(fā)電機，其中所述多個是三個， 并且所述用于將熱能轉(zhuǎn)換為電能的設備被提供用于遞送三相交流 電。
12. 根據(jù)權利要求10或11所述的多相發(fā)電機，其中所述溫度改 變裝置包括開放流體通路，其提供用以將熱和冷交替遞送到每個磁 路中由磁性材料制成的部分。
13. 根據(jù)權利要求10或11所述的多相發(fā)電機，其中所述溫度改 變裝置包括閉合流體回路(26， 28-33 ),其提供用以將熱和冷交替 地遞送到每個》茲路中由》茲性材料制成的部分。
14. 根據(jù)權利要求12或13所述的多相發(fā)電機，包括第一閥裝置 (30),所述第一閥裝置(30)優(yōu)選地包括旋轉(zhuǎn)閥，為每個所述磁路提供所迷第一閥裝置(30),用以將來自第一管道(25)的熱流 體和來自第二管道(27)的冷流體交替地切換到相應第三管道(31， 32， 33)中并且將所述磁路中由所述磁性材料制成的所述部分暴露 于熱冷交替的流體，從而使得所述磁路中由磁性材料制成的所述部 分將被加熱到所述磁性材料的相變溫度以上或者冷卻到所述磁性材 料的相變溫度以下。
15. 根據(jù)權利要求14所述的多相發(fā)電機，包括第二閥裝置(29)， 優(yōu)選地包括旋轉(zhuǎn)閥，為每個所述磁路提供所述第二閥裝置(29)用 以在已經(jīng)向所述磁路中由所述磁性材料制成的所述相應部分暴露之 后在所述相應第三管道(31-33)中接收熱冷交替的流體，并且將其 中的所述熱流體切換到所述第一管道(25)中而將其中的所述冷流體切換到所述第二管道(27)中。
16. —種根據(jù)權利要求1-9中任一權利要求所述的設備或者根據(jù) 權利要求10-15中的任一權利要求所述的多相發(fā)電機的用途，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能。
17. —種用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的方法，包括步驟 在至少包括磁性材料制成的部分(3)的磁路(1)中提供磁通； 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4牛制成的所述部分中的溫度，以由此改變所述》茲路中的》茲通；以 及響應于所述磁路中的改變磁通，在布置于所述磁路周圍的線圈 (7)中感生電能，其特征在于利用在所述線圏中感生的電能對電容器(9)進行交替充電，并 對該電容器放電以向所述線圏提供電流，從而在所述磁路中產(chǎn)生》茲通，其中在用以優(yōu)化電功率輸出的頻率執(zhí)行所述電容器的交替充電和放 電以及在該》茲性材料的相變溫度以上和以下交替地改變由磁性材料 制成的部分的溫度。
18. 根據(jù)權利要求n所述的方法，其中利用在所述線圏中感生的電能交替地對所述電容器進行(i)正向充電，(ii)放電t，負 向充電(iii)，以及(iv);改電，以^使以第一選定頻率為所述線圈才是 供電流；以及所述溫度以第二選定頻率在磁性材料的相變溫度以上 和以下改變，所述第一選定頻率和所述第二選定頻率之比大約為 n/2,其中n為正整數(shù)。
19. 根據(jù)權利要求17或18所述的方法，其中根據(jù)所述感生電流 的特性來控制連接到所述線圈的負載(13)。
全文摘要
一種用于將熱能變換成電能的設備包括磁路(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，以由此改變該磁路的磁阻；以及線圈(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。該設備包括與線圈并聯(lián)連接的電容器(9)，由此形成諧振電路(11)，其中諧振電路的諧振頻率和在所述磁性材料的相變溫度以上和以下的溫度改變的頻率相互依賴，以便優(yōu)化電功率輸出。
文檔編號H01L37/00GK101647127SQ200880010223
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