Устройство для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую
DEVICE FOR THE DIRECT THERMOELECTRIC CONVERSION

Изобретение относится к электрическим термомагнитным приборам на твердом теле, предназначенным для генерации электрической энергии путем ее непосредственного преобразования из тепловой энергии, и может быть использовано в качестве источника питания.
Известны устройства преобразования тепловой энергии в электрическую, основанные на эффекте Пельтье (Зеебека), например [1].
Их общим недостатком является низкая эффективность и ограниченные возможности по мощности.
Известны способ и устройства [2-5], непосредственно преобразующие тепловую энергию в электрическую путем периодического нагревания и охлаждения (термоциклирования) термочувствительного ферромагнитного сердечника нелинейной катушки индуктивности вблизи точки Кюри.
Недостаток, присущий этим способам и устройствам, реализующим эти способы, - низкая эффективность, что связано с необходимостью использования относительно продолжительных процессов термоциклирования магнитных материалов.
Известны способ и устройства [6], непосредственно преобразующие тепловую энергию в электрическую, содержащие магнетик (магнитная жидкость), нагретый до температуры фазового ферромагнитного перехода, который с помощью внешнего магнитного поля намагничивается до значения выше характерного для точки ферромагнитного фазового перехода, а затем охлаждается до температуры ниже температуры фазового перехода и самопроизвольно размагничивается до уровня остаточной намагниченности, что вызывает генерацию дополнительного магнитного потока, преобразуемого в электрическую энергию.
Недостатки, присущие этому способу и устройствам, реализующим этот способ:
- низкая эффективность преобразования из-за отсутствия системы дополнительного подмагничивания магнетика постоянным магнитным полем. (Процесс преобразования достигает максимума при переводе ферромагнитного тела в парамагнитное состояние. Остаточной намагниченности не достаточно для перевода магнитомягкого магнетика в это состояние.);
- дополнительные затраты энергии на прокачку магнитной жидкости через намагничивающее устройство и теплообменник;
- наличие элементов (насос, теплообменник), приводящих к увеличению массагабаритных характеристик устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую [7] (прототип), использующее принцип магнитоциклирования, содержащее магнитопровод 1 с источником магнитного поля 2, в зазоре которого расположен термочувствительный ферромагнитный элемент 3, нагреватель термочувствительного ферромагнитного элемента 4, выходная 5 и входная 6 обмотки, размещенные на магнитопроводе, термоизолятор 7, изолирующий магнитопровод от нагретого термочувствительного ферромагнитного элемента, генератор-возбудитель 8, подключенный к входной обмотке, и накопитель электрической энергии 9, подключенный к выходной обмотке.
Недостатком прототипа является низкая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую, обусловленная потерями энергии магнитного поля на элементах с большим сопротивлением магнитному потоку: источнике магнитного поля и термоизоляторе, включенных последовательно с магнитопроводом.
Изобретением решается задача повышения эффективности процесса преобразования тепловой энергии в электрическую.
Это достигается тем, что теплоизолятор исключатся из состава устройства, используется термочувствительный ферромагнитный элемент, имеющий форму трубки, а источником магнитного поля служит соосно введенный вовнутрь термочувствительного ферромагнитного элемента постоянный магнит таких же линейных размеров с диаметром, приблизительно равным внутреннему диаметру трубчатого термочувствительного ферромагнитного элемента. Магнитные силовые линии источника магнитного поля, замыкаясь через термочувствительный ферромагнитный элемент, переводят его в парамагнитное состояние. При этом со стороны полюсов этот постоянный магнит имеет конусообразные углубления, которые исключают возможность размагничивания источника магнитного поля, благодаря увеличению сопротивления размагничивающему полю со стороны магнитопровода. Для уменьшения потерь, связанных с вихревыми индукционными токами в процессе перемагничивания термочувствительного ферромагнитного элемента в качестве источника магнитного поля целесообразно использовать ферритовый магнит.
Таким образом, устройство непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, содержит магнитопровод, в зазоре которого расположен термочувствительный ферромагнитный элемент, имеющий форму трубки, с помещенным вовнутрь источником магнитного поля, представляющим собой ферритовый магнит таких же линейных размеров, как и термочувствительный ферромагнитный элемент, с конусообразными углублениями со стороны полюсов, выходную и входную обмотки, размещенные на магнитопроводе, нагреватель термочувствительного ферромагнитного элемента, генератор-возбудитель, подключенный к входной обмотке, и накопитель электрической энергии, подключенный к выходной обмотке.
Проведенный сравнительный анализ устройства, реализующего способ-прототип, и устройства, реализующего заявленный способ, показывает, что изменена совокупность существенных признаков:
изменены связи между элементами: источник магнитного поля отделен от магнитопровода; источник магнитного поля введен в состав термочувствительного ферромагнитного элемента; из состава элементов устройства исключен термоизолятор;
уточнены формы выполнения элементов: термочувствительный ферромагнитный элемент имеет форму трубки; источник магнитного поля расположен соосно внутри ферромагнитного чувствительного элемента; источник магнитного поля представляет собой постоянный ферритовый магнит тех же линейных размеров, что и термочувствительный ферромагнитный элемент, но с диаметром, равным внутреннему диаметру термочувствительного ферромагнитного элемента; источник магнитного поля - ферритовый магнит со стороны полюсов имеет конусообразные углубления.
Изобретение поясняется графически (фиг. 1, 2).
На фиг. 1 показана схема устройства непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.
На фиг. 2 показан термодинамический цикл преобразования энергий.
Устройство непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую содержит магнитопровод 1, в зазоре которого расположен термочувствительный ферромагнитный элемент 2 с введенным вовнутрь соосно расположенным источником магнитного поля 3, выходную 4 и входную 5 обмотки, размещенные на магнитопроводе, нагреватель термочувствительного ферромагнитного элемента 6, генератор-возбудитель 7, подключенный к входной обмотке 5, и накопитель электрической энергии 8, подключенный ко выходной обмотке 4.
Устройство непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую реализует способ магнитоциклирования [7]. Тепловая энергия от произвольного источника, например от окружающей среды, передает энергию нагревателю термочувствительного ферромагнитного элемента 6, который обеспечивает равномерное распределение температуры по поверхности термочувствительного ферромагнитного элемента 2. С помощью источника магнитного поля 3, соосно расположенного внутри термочувствительного ферромагнитного элемента 6, последний переводится в состояние парапроцесса. Рассмотрим термодинамический цикл преобразования энергий в ферромагнетике построенный на графике зависимости намагниченности от температуры - кривой Вейсса (фиг. 2). Предположим, что температура термочувствительного ферромагнитного элемента 6 приблизительно соответствует точки Кюри, а напряженность источника магнитного поля 3 выбрана так, чтобы исходная точка располагалась на ниспадающем участке кривой Вейсса (фиг. 2). Процесс магнитоциклирования будет обеспечиваться с помощью переменного внешнего магнитного поля подмагничивания, создаваемого импульсным генератором-возбудителем 7, нагруженным на входную обмотку 5. С выхода генератора-возбудителя 7 подается последовательность импульсов. В активной фазе генератора на первом шаге с ростом тока во входной обмотке 5 увеличивается намагниченность термочувствительного ферромагнитного элемента 2 и за счет магнетокалорического эффекта растет его температура. Так как термочувствительный ферромагнитный элемент не изолирован от внешней среды (и это принципиально), то за счет градиента температур среда в это же время совершает работу по охлаждению термочувствительного ферромагнитного элемента 2. Процесс преобразования энергии магнитного поля в электрический ток происходит на втором и третьем шаге цикла в отсутствие импульсной составляющей магнитного поля подмагничивания. В начале второго шага питание от входной обмотки 5 отключается и включается на нагрузку выходная обмотка 4. На этом шаге происходит охлаждение термочувствительного ферромагнитного элемента 2 и нелинейное изменение его намагниченности. Сначала наблюдается рост намагниченности за счет резкого нелинейного роста магнитной восприимчивости при подходе к точке Кюри. А затем при переходе через эту точку спад намагниченности и охлаждение термочувствительного ферромагнитного элемента 2 до температуры ниже точки Кюри. На третьем шаге за счет естественного градиента температур среда нагревает термочувствительный ферромагнитный элемент 2, т.е. снова совершает работу. Процесс нагревания заканчивается, когда температура термочувствительного ферромагнитного элемента 2 достигает температуры рабочей точки. Возникающий при этом переменный магнитный поток преобразуется в электрический ток. Таким образом, за период импульсной последовательности генератора возбудителя среда совершает работу дважды, охлаждая и нагревая термочувствительный ферромагнитный элемент 2. Затраченная средой энергия в соответствии с законом сохранения энергии не может исчезнуть бесследно и проявляется в дополнительном приросте потока индукции и, следовательно, в приросте дополнительной электрической энергии [7].
5
4
13
Термочувствительный ферромагнитный элемент имеет трубчатую форму (фиг. 1). В качестве материала ферромагнитного чувствительного элемента могут использоваться материалы с относительно низкой точкой Кюри (300-320 К). Например, материалы, в которых наблюдается магнитный фазовый переход первого рода (Gd(Si,Ge), La(Fe,Si,Al), MnFePAs и др. [8]. Однако наиболее интересны, с точке зрения дешевизны и функциональности, могут быть сплавы Гейслера Ni-Mn-Z (Ζ=Ga, In, Sn) [9]. В них может наблюдаться достаточно сложная зависимость свойств сплава, таких как намагниченность и магнетокалорический эффект от внешних параметров, например температуры или магнитного поля. Одной из величин, принимающих наибольшие значения вблизи фазовых переходов в сплавах Гейслера, является изменение температуры образца при приложении магнитного поля, т.е. так называемый магнетокалорический эффект (МКЭ), что важно для эффективной работы заявляемого устройства.
Конструктивно источник магнитного поля может представлять собой цилиндрический магнит, длина которого равна длине термочувствительного ферромагнитного элемента, но с диаметром, приблизительно равным внутреннему диаметру термочувствительного ферромагнитного элемента. Со стороны полюсов этот постоянный магнит имеет конусообразные углубления (см. фиг. 1).
Материалы источника магнитного поля (постоянного магнита) и магнитопровода должны иметь достаточно высокую точку Кюри. Это избавит от необходимости использования термоизоляторов, изолирующих магнитопровод и источник магнитного поля от нагретого термочувствительного ферромагнитного элемента, но вносящих дополнительные потери в общий магнитный поток. В качестве материала для источника магнитного поля может использоваться постоянный магнит из ферритов бария или стронция с точкой Кюри равной 450°С. Благодаря большому удельному сопротивлению ферритов будут сведены к минимуму потери, связанные с вихревыми индукционными токами в процессе перемагничивания термочувствительного ферромагнитного элемента.
В качестве магнитопровода может использоваться материал, имеющий линейную петлю магнитного гистерезиса и минимальную коэрцитивную силу, что обеспечит минимум потерь в магнитопроводе. Например, материал с нанокристаллической структурой ГМ515 В с температурой Кюри равно 500°С.
Конструктивно нагреватель ферромагнитного элемента должен выполняться так, чтобы иметь наибольшую площадь соприкосновения с наружной частью трубчатого термочувствительного ферромагнитного элемента из материала с высокой теплопроводностью, например из меди или латуни и иметь продольный разрез для исключения замыкания индукционных токов (см. фиг. 1).
Технический результат от использования заявляемых технических решений по сравнению с прототипом заключается в повышении эффективности процесса преобразования тепловой энергии в электрическую за счет снижения потерь в магнитном потоке путем исключения элементов (теплоизолятор и источник магнитного поля), используемых в прототипе, включенных там последовательно с магнитопроводом и имеющих большое магнитное сопротивление.
Список использованных источников
1. Пат. №2419919, Российская федерация, МПК H01L 35/02. Термоэлектрический элемент. [Текст] / Г. Шпан. - 2008126318/28; заявл. 27.06.2008, опубл. 27.05.2011.
2. АС №811466 СССР, М.Кл. H02N 11/00. Термомагнитный генератор [Текст] / А.П. Новицкий, И.С. Петренко, В.А. Френкель/ - 2736844/24-25; заявл. 19.03.79; опубл. 07.03.1981, Бюл. №9.
3. АС №1015457 СССР, МПК H01L 31/04, H02N 11/00. Магнитотепловой генератор [Текст] / И.П. Копылов, И.Н. Дьяченко. - 3365147/24-25; заявл. 09.12.81; опубл. 30.04.1983, Бюл. №16.
4. Patent No.: US 2005/0062360 A1, Int. cl.7 H02N 10/00. Thermal engine and thermal power generator both using magnetic body [Text] / Hisato Yabuta. - Appl no: 10/934,512; Filed; Sep.7, 2004; Pub. Date: Mar. 24, 2005.
5. Patent No.: US 8,183,736 B2, Int. cl. H02N 10/00; F25B 21/00. Device and method for converting energy [Text] / Gunnar Russberg, Mikael Dahlgren, Stefan Thorburn. - Appl. No.: 12/593,465; PCT Filed: Mar. 18, 2008; PCT Pub. Date: Oct. 2, 2008; PCT Pub. No.: WO 2008/116785.
6. Patent N0.: US 6,725,668 B1, Int. cl.7 F25B 21/00; H02N 10/00; H0211 7/06; H0113 1/00. Thermodynamic cycles and method for generating electricity. [Text] / Remi Oseri Cornwall. - Appl. N0.: 09/959,081; PCT Filed: Apt 19 2000; PCT Pub Date Oct 26 2000; PCT Pub- NO-I WO 00/64038.
7. Пат. №2542601, Российская Федерация, МПК H02N 37/04, H01L 31/00. / Способ преобразования тепловой энергии в электрическую и устройство для его осуществления. [Текст] / Е.Н. Мищенко, С.Е. Мищенко, В.В. Шацкий. - №2012151495/28; заявл. 30.11.2012, опубл. 20.02.2015, Бюл. №5.
13
8. Карпенко, А.Ю. Магнитокалорический, магнитообъемный эффекты в сплавах La(Fe,Si) и циклы магнитного охлаждения на основе данных материалов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / А.Ю. Карпенко. - Тверь: ТГУ, 2012. - 24 с.
9. Казаков, А.П. Магнитные, тепловые и магнитотранспортные свойства сплавов Гейслера на основе Ni-Mn-In. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / А.П. Казаков. - М.: МГУ, 2012. - 26 с.