RU2542601C2 - Method of conversion of thermal energy into electric and device for its implementation - Google Patents
Method of conversion of thermal energy into electric and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2542601C2 RU2542601C2 RU2012151495/28A RU2012151495A RU2542601C2 RU 2542601 C2 RU2542601 C2 RU 2542601C2 RU 2012151495/28 A RU2012151495/28 A RU 2012151495/28A RU 2012151495 A RU2012151495 A RU 2012151495A RU 2542601 C2 RU2542601 C2 RU 2542601C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thermosensitive
- ferromagnetic element
- magnetic
- energy
- magnetic circuit
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title abstract description 6
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 88
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 39
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 38
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 27
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 19
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 abstract description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 abstract 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 15
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 4
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N gadolinium atom Chemical compound [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Soft Magnetic Materials (AREA)
Abstract
Description
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 электрооборудования.The invention relates to electric thermomagnetic devices on a solid, designed to generate electrical energy by directly converting it from thermal energy, and can be used as a power source for electrical equipment.
Известны способы и устройства преобразования тепловой энергии в электрическую, основанные на эффекте Пельтье (Зеебека) [1, 2 и др.].Known methods and devices for converting thermal energy into electrical energy, based on the Peltier effect (Seebeck) [1, 2, etc.].
Их общим недостатком является низкая эффективность и ограниченные возможности по мощности.Their common disadvantage is low efficiency and limited capacity.
Известен способ непосредственного преобразования тепла среды в электричество, построенный на основе нелинейной по напряжению емкости с нелинейным диэлектриком [3].There is a method of direct conversion of heat of the medium into electricity, based on a non-linear voltage capacitance with a non-linear dielectric [3].
Недостаток этого способа - необходимость использования достаточно высоких рабочих напряжений, что существенным образом ограничивает область применения таких преобразователей.The disadvantage of this method is the need to use sufficiently high operating voltages, which significantly limits the scope of such converters.
Известны способы и устройства, реализуемые термомагнитными генераторами [4, 5], непосредственно преобразующими тепловую энергию в электрическую путем периодического нагревания и охлаждения ферромагнитного сердечника нелинейной катушки индуктивности вблизи точки Кюри.Known methods and devices implemented by thermomagnetic generators [4, 5], directly converting thermal energy into electrical energy by periodically heating and cooling the ferromagnetic core of a nonlinear inductor near the Curie point.
Недостаток, присущий этим способам, - низкая эффективность, что связано с необходимостью использования относительно продолжительных процессов термоциклирования магнитных материалов.The disadvantage inherent in these methods is low efficiency, which is associated with the need to use relatively long processes of thermal cycling of magnetic materials.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую [6] (прототип), заключающийся в том, что осуществляют периодическое изменение состояния намагниченности расположенного в зазоре магнитопровода термочувствительного ферромагнитного элемента путем периодического нагревания и охлаждения в окрестности точки Кюри термочувствительного ферромагнитного элемента в фазе парапроцесса.The closest in technical essence to the claimed is a method of direct conversion of thermal energy into electrical energy [6] (prototype), which consists in periodically changing the magnetization state of the thermosensitive ferromagnetic element located in the gap of the magnetic circuit by periodically heating and cooling in the vicinity of the Curie point of the thermosensitive ferromagnetic element in the paraprocess phase.
Устройство для осуществления способа-прототипа состоит из магнитопровода, источника магнитного поля, соединенного с магнитопроводом, в зазоре магнитопровода расположен термочувствительный ферромагнитный элемент, нагреватель и охладитель, обеспечивающие соответственно нагрев или охлаждение термочувствительного ферромагнитного элемента, выходной обмотки, размещенной на магнитопроводе.A device for implementing the prototype method consists of a magnetic circuit, a magnetic field source connected to the magnetic circuit, in the gap of the magnetic circuit there is a thermosensitive ferromagnetic element, a heater and a cooler, which respectively provide heating or cooling of the thermosensitive ferromagnetic element, the output winding located on the magnetic circuit.
Недостатком прототипа является низкая эффективность, обусловленная использованием инерционного процесса термоциклирования ферромагнитного материала.The disadvantage of the prototype is the low efficiency due to the use of the inertial process of thermal cycling of ferromagnetic material.
Изобретением решается задача повышения эффективности процесса преобразования тепловой энергии в электрическую.The invention solves the problem of increasing the efficiency of the process of converting thermal energy into electrical energy.
Это достигается тем, что при осуществлении способа преобразования тепловой энергии в электрическую для возбуждения переменного электрического тока осуществляют периодическое изменение состояния намагниченности расположенного в зазоре магнитопровода термочувствительного ферромагнитного элемента, нагретого до соответствующей ферромагнитному материалу температуры Кюри, находящегося в фазе парапроцесса, согласно изобретению изменение намагниченности термочувствительного ферромагнитного элемента осуществляют путем циклического изменения тока подмагничивания.This is achieved by the fact that when implementing the method of converting thermal energy into electrical energy to excite an alternating electric current, the magnetization state of the thermally sensitive ferromagnetic element located in the magnetic circuit gap heated to the Curie temperature corresponding to the ferromagnetic material in the paraprocess phase is carried out periodically, according to the invention, the magnetization of the thermally sensitive ferromagnetic element is carried out by cyclic changing the bias current.
Реализуется заявленный способ устройством преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащим магнитопровод с источником магнитного поля, в зазоре которого расположен термочувствительный ферромагнитный элемент, выходную обмотку, размещенную на магнитопроводе, нагреватель термочувствительного ферромагнитного элемента, в конструкцию которого согласно изобретению введены термоизолятор, изолирующий магнитопровод от нагретого термочувствительного ферромагнитного элемента, входная обмотка, размещенная на магнитопроводе, генератор-возбудитель, подключенный к входной обмотке, и накопитель электрической энергии, подключенный к выходной обмотке. Термочувствительным ферромагнитным элементом может выступать материал с точкой Кюри, близкой к температуре окружающей среды, например гадолиний. В качестве накопителя электрической энергии возможно использование аккумулятора, подключенного через диод к выходной обмотке.The claimed method is implemented by a device for converting thermal energy into electrical energy, containing a magnetic circuit with a magnetic field source, in the gap of which there is a thermosensitive ferromagnetic element, an output winding located on the magnetic circuit, a heater of a thermosensitive ferromagnetic element, in the construction of which, according to the invention, a thermal insulator is inserted that insulates the magnetic circuit from a heated thermosensitive ferromagnetic element, the input winding placed on the magnetic circuit, ge nerator-exciter connected to the input winding, and an electric energy storage device connected to the output winding. A material with a Curie point close to ambient temperature, such as gadolinium, can act as a thermosensitive ferromagnetic element. It is possible to use a battery connected via an diode to the output winding as an electric energy storage device.
Проведенный сравнительный анализ признаков заявленного способа и способа-прототипа показывает, что заявленный способ отличается тем, что изменена совокупность существенных признаков, изменены условия осуществления действия, связанного с изменением намагниченности расположенного в зазоре магнитопровода термочувствительного ферромагнитного элемента. Его осуществляют путем циклического изменения тока подмагничивания.A comparative analysis of the features of the claimed method and the prototype method shows that the claimed method differs in that the set of essential features is changed, the conditions for the action associated with the change in the magnetization of the heat-sensitive ferromagnetic element located in the gap of the magnetic core are changed. It is carried out by cyclically changing the bias current.
Проведенный сравнительный анализ устройства, реализующего способ-прототип, и устройства, реализующего заявленный способ, показывает, что изменена совокупность существенных признаков:A comparative analysis of the device that implements the prototype method, and the device that implements the claimed method, shows that the set of essential features has been changed:
- введены элементы: термоизолятор, входная обмотка, генератор-возбудитель и накопитель электрической энергии;- introduced elements: thermal insulator, input winding, exciter generator and electrical energy storage device;
- изменены связи между элементами: магнитопровод отделен от термочувствительного ферромагнитного элемента с помощью термоизолятора; генератор-возбудитель подключен к входной обмотке; накопитель электрической энергии подключен к выходной обмотке;- the connections between the elements have been changed: the magnetic circuit is separated from the thermosensitive ferromagnetic element using a thermal insulator; the exciter generator is connected to the input winding; electric energy storage device is connected to the output winding;
- уточнены формы выполнения элементов: в качестве термочувствительного ферромагнитного элемента предложен материал с точкой Кюри, соответствующей температуре окружающей среды, например гадолиний, что позволяет использовать окружающую атмосферу в качестве источника тепла; накопителем электрической энергии может выступать аккумулятор, подключенный к выходной обмотке через диод.- Forms of elements execution have been clarified: a material with a Curie point corresponding to the ambient temperature, for example gadolinium, has been proposed as a thermosensitive ferromagnetic element, which allows using the surrounding atmosphere as a heat source; An electric energy storage device may be a battery connected to the output winding through a diode.
Изобретение поясняется графически (фиг. 1-4).The invention is illustrated graphically (Fig. 1-4).
На фиг. 1 показана схема устройства, реализующего предлагаемый способ.In FIG. 1 shows a diagram of a device that implements the proposed method.
На фиг. 2 приведена зависимость начальной магнитной проницаемости и относительного тангенса угла магнитных потерь от амплитудного значения напряженности переменного магнитного поля.In FIG. Figure 2 shows the dependence of the initial magnetic permeability and the relative tangent of the angle of magnetic losses on the amplitude value of the intensity of an alternating magnetic field.
На фиг. 3 приведена зависимость начальной магнитной проницаемости от температуры.In FIG. Figure 3 shows the temperature dependence of the initial magnetic permeability.
На фиг. 4 дана зависимость магнитной проницаемости от напряженности внешнего переменного магнитного поля в условиях температуры, близкой к температуре Кюри, и смещения внешним постоянным магнитным полем.In FIG. Figure 4 shows the dependence of magnetic permeability on the intensity of an external alternating magnetic field at a temperature close to the Curie temperature and bias by an external constant magnetic field.
Устройство, реализующее предложенный способ (фиг.1), содержит магнитопровод 1 с источником магнитного поля 2, расположенный в зазоре магнитопровода термочувствительный ферромагнитный элемент 3, нагреватель 4 термочувствительного ферромагнитного элемента, выходную обмотку 5, размещенную на магнитопроводе, входную обмотку 6, также размещенную 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.A device that implements the proposed method (Fig. 1) contains a
При реализации заявляемого способа термочувствительный ферромагнитный элемент 3, изолированный от магнитопровода 1 с помощью термоизолятора 7, нагревают до температуры, близкой к температуре Кюри. С помощью источника магнитного поля 2 и посредством магнитопровода 1 переводят термочувствительный ферромагнитный элемент 3 в начальную стадию парапроцесса. С выхода генератора-возбудителя 8 на входную обмотку 6 подают последовательность импульсов. С приходом каждого из импульсов во входной обмотке 6 начинается процесс нарастания тока. С ростом тока суммарная напряженность магнитного поля увеличивается, и, как следствие, снижается магнитная проницаемость термочувствительного ферромагнитного элемента 3, так как последний находится в состоянии парапроцесса. Входная обмотка 6, размещенная на магнитопроводе 1, в зазоре которого расположен термочувствительный ферромагнитный элемент 3, образует нелинейную индуктивность с отрицательным реактивным сопротивлением. Энергия, накопленная такой нелинейной индуктивностью, может превышать энергию, отданную источником. По окончании действия импульса во входной обмотке 6 в выходной обмотке 5, расположенной на том же магнитопроводе 1, что и входная обмотка 6, возбуждается эдс самоиндукции, энергия которой потребляется накопителем 9. Разделение циклов накопления энергии входной катушкой и потребление энергии накопителем может быть осуществлено любым из известных способов, например, с помощью переключающих устройств или с помощью диода, как это сделано в последнем случае в предлагаемом устройстве.When implementing the proposed method, the thermosensitive ferromagnetic element 3, isolated from the
Как следует из изложенного, в отличие от прототипа при реализации данного способа преобразования тепловой энергии в электрическую отпадает принципиальная необходимость в термоциклировании и, следовательно, исключаются дополнительные расходы энергии на периодическое нагревание и охлаждение рабочего тела - расположенного в зазоре магнитопровода термочувствительного ферромагнитного элемента. Температура магнитопровода всегда может поддерживаться на требуемом уровне путем регулировки расхода теплоносителя любыми из множества известных способов. Таким образом, достигается цель изобретения - повышение эффективности процесса преобразования тепловой энергии в электрическую.As follows from the foregoing, in contrast to the prototype, when implementing this method of converting thermal energy into electrical energy, there is no fundamental need for thermal cycling and, therefore, additional energy costs for periodic heating and cooling of the working fluid — a thermally sensitive ferromagnetic element located in the gap of the magnetic core — are eliminated. The temperature of the magnetic circuit can always be maintained at the required level by adjusting the flow rate of the coolant by any of a variety of known methods. Thus, the goal of the invention is achieved - increasing the efficiency of the process of converting thermal energy into electrical energy.
Общая мощность предлагаемого источника электроэнергии может быть повышена путем запараллеливания большого количества подобных источников, которые конструктивно можно сделать миниатюрными.The total capacity of the proposed source of electricity can be increased by parallelizing a large number of such sources, which can be made miniature constructively.
В качестве источника тепла могут использоваться любые источники: от лучистых до органических.Any source can be used as a heat source: from radiant to organic.
Если в качестве термочувствительного ферромагнитного элемента использовать материал с точкой Кюри, соответствующей температуре окружающей среды, например гадолиний (точка Кюри - tk=17°), то роль источника тепла может исполнять окружающая атмосфера.If the temperature sensing element of ferromagnetic material used with the Curie point corresponding to the ambient temperature, such as gadolinium (Curie point - t k = 17 °), then the role of the heat source may perform the ambient atmosphere.
В качестве накопителя электроэнергии может быть использован аккумулятор, подсоединенный к выходной обмотке через диод, что исключит обратную разрядку аккумулятора.As an energy storage device, a battery connected to the output winding through a diode can be used, which eliminates the reverse discharge of the battery.
Проведем теоретическое обоснование предлагаемых способа и устройства. Генератор-возбудитель формирует последовательность прямоугольных импульсов. С приходом каждого из импульсов к входной обмотке в ней начинается процесс нарастания тока. С ростом тока во входной обмотке изменяется напряженность магнитного поля и, как следствие, магнитная проницаемость расположенного в зазоре магнитопровода термочувствительного ферромагнитного элемента, а следовательно, и индуктивность входной обмотки (совокупность элементов: термочувствительный ферромагнитный элемент и магнитопровод с источником магнитного поля в дальнейшем будем называть магнитным сердечником, имея ввиду, что входная и выходная обмотки размещены на магнитопроводе). Этот факт отмечался еще Столетовым (кривая намагниченности Столетова). Дифференциальное уравнение, описывающее процесс протекания тока в соленоиде во время действия импульса, имеет вид:Let's carry out the theoretical justification of the proposed method and device. The exciter generator forms a sequence of rectangular pulses. With the arrival of each of the pulses to the input winding, the process of increasing current begins in it. With increasing current in the input winding, the magnetic field strength changes and, as a result, the magnetic permeability of the thermally sensitive ferromagnetic element located in the gap of the magnetic circuit, and therefore the inductance of the input winding (set of elements: a thermosensitive ferromagnetic element and a magnetic circuit with a magnetic field source, will be called magnetic core, bearing in mind that the input and output windings are located on the magnetic circuit). This fact was noted by Stoletov (Stoletov’s magnetization curve). The differential equation describing the process of current flow in the solenoid during the action of the pulse has the form:
где - магнитный поток; - ток, протекающий в катушке; L0 - индуктивность соленоида без учета магнитной проницаемости магнитного сердечника; r - сопротивление нагрузки; µ(H) - магнитная проницаемость магнитного сердечника, причем ; E - импульсное напряжение, приложенное ко входной обмотке в течение длительности импульса .Where - magnetic flux; - current flowing in the coil; L 0 is the inductance of the solenoid without taking into account the magnetic permeability of the magnetic core; r is the load resistance; µ (H) is the magnetic permeability of the magnetic core, and ; E is the pulse voltage applied to the input winding during the pulse duration .
Запишем уравнение (1) несколько по-другому:We rewrite equation (1) in a slightly different way:
Как видно из (2), относительная магнитная проницаемость и ток являются величинами взаимозависимыми, и, следовательно, форма зависимости повлияет на форму временной зависимости тока.As can be seen from (2), the relative magnetic permeability and current are interdependent quantities, and therefore the form of dependence will affect the shape of the time dependence of the current.
Вид кривой магнитной проницаемости зависит не только от напряженности магнитного поля, создаваемой током, но и от множества других факторов: материала термочувствительного ферромагнитного элемента, прикладываемых механических напряжений, частоты тока, температуры, формы магнитного сердечника и т.д. В частности, в качестве примера, для ферритовых колец типа 10000НМ с начальной магнитной проницаемостью µn=10000, предназначенных для работы в слабых магнитных полях, эта кривая имеет вид, приведенный на фиг. 2 [7]. Как видно из рисунка, с ростом напряженности магнитного поля магнитная проницаемость сначала возрастает, достигая максимального значения µn+Δµ, а затем падает.The shape of the magnetic permeability curve depends not only on the magnetic field generated by the current, but also on many other factors: the material of the thermosensitive ferromagnetic element, applied mechanical stresses, current frequency, temperature, shape of the magnetic core, etc. In particular, as an example, for ferrite rings of the 10000NM type with an initial magnetic permeability µ n = 10000 intended for operation in weak magnetic fields, this curve has the form shown in FIG. 2 [7]. As can be seen from the figure, with increasing magnetic field strength, the magnetic permeability first increases, reaching a maximum value of µ n + Δµ, and then decreases.
В отсутствие внешних магнитных полей при охлаждении термочувствительного ферромагнитного элемента ниже температуры Кюри в нем образуется определенная конфигурация областей самопроизвольной намагниченности, называемая доменной структурой. Каждый домен намагничен до насыщения, вектор намагниченности в них ориентирован вдоль определенного направления, называемого осью легкого намагничивания. Существование доменной структуры определяет высокую восприимчивость ферромагнетика к намагничиванию. Ход кривой намагничивания определяется процессами возникновения, формирования и исчезновения доменов.In the absence of external magnetic fields, when a thermosensitive ferromagnetic element is cooled below the Curie temperature, a definite configuration of spontaneous magnetization regions is formed in it, called a domain structure. Each domain is magnetized to saturation, the magnetization vector in them is oriented along a certain direction, called the axis of easy magnetization. The existence of a domain structure determines the high susceptibility of a ferromagnet to magnetization. The course of the magnetization curve is determined by the processes of the emergence, formation, and disappearance of domains.
Помещение ферромагнитного материала в однородное внешнее магнитное поле приводит к появлению неустойчивости доменов с намагниченностью против внешнего магнитного поля и повышению устойчивости доменов с намагниченностью вдоль поля, что вызывает увеличение объема одних доменов за счет сокращения объема других доменов посредством смещения доменных границ или вращением намагниченности в доменах.The placement of a ferromagnetic material in a uniform external magnetic field leads to the instability of domains with magnetization against an external magnetic field and to increase the stability of domains with magnetization along the field, which causes an increase in the volume of some domains due to a reduction in the volume of other domains by shifting the domain boundaries or by rotating the magnetization in the domains.
Известно, что в начале намагничивания процесс идет преимущественно за счет смещения доменных стенок приблизительно до 0,5·Δµ+µn (фиг. 2). При этом намагниченность образца зависит от H линейно. При дальнейшем увеличении внешнего магнитного поля происходит два процесса. Первый состоит в разрушении доменной структуры: невыгодно намагниченные домены сжимаются и число их уменьшается. Дальнейшее увеличение поля приводит к исчезновению таких доменов концевым схлопыванием. Второй процесс заключается в преобразовании доменных структур в домены с намагниченностью вдоль поля за счет вращения намагниченности. В результате образуется однодоменное состояние насыщения в поле насыщения Hs. Последующее увеличение напряженности внешнего поля является завершающим этапом намагничивания и известно под термином парапроцесс или истинное намагничивание. Этот этап характеризуется ориентацией в поле Н элементарных носителей магнетизма (спиновых магнитных моментов электронов или магнитных моментов ионов), оставшихся не повернутыми в направлении результирующей намагниченности вследствие дезорганизующего действия теплового движения. С увеличением H (если H>Hs) намагниченность стремится к величине абсолютного насыщения, т.е. к той, которую имел бы ферромагнетик при абсолютном нуле температуры. Парапроцесс в большинстве случаев дает малый прирост намагниченности, поэтому процесс намагничивания считают практически законченным при достижении ферромагнитным сердечником состояния технического насыщения.It is known that at the beginning of magnetization the process proceeds mainly due to the displacement of the domain walls to approximately 0.5 · Δµ + µ n (Fig. 2). In this case, the magnetization of the sample depends linearly on H. With a further increase in the external magnetic field, two processes occur. The first is the destruction of the domain structure: the disadvantageously magnetized domains are compressed and their number decreases. A further increase in the field leads to the disappearance of such domains by end collapse. The second process is the transformation of domain structures into domains with magnetization along the field due to the rotation of the magnetization. As a result, a single-domain saturation state is formed in the saturation field H s . A subsequent increase in the external field strength is the final stage of magnetization and is known by the term para-process or true magnetization. This stage is characterized by the orientation in the field H of elementary carriers of magnetism (spin magnetic moments of electrons or magnetic moments of ions), which remained not rotated in the direction of the resulting magnetization due to the disorganizing effect of thermal motion. With an increase in H (if H> H s ), the magnetization tends to the value of absolute saturation, i.e. to that which a ferromagnet would have at absolute zero temperature. In most cases, the paraprocess gives a small increase in magnetization; therefore, the magnetization process is considered almost complete when the ferromagnetic core reaches a state of technical saturation.
Из экспериментальных наблюдений, проведенных разными авторами, следует, что при фиксированной напряженности внешнего поля с увеличением температуры магнитная проницаемость также растет, достигая максимума вблизи точки Кюри. Эти наблюдения подтверждаются данными, взятыми из [7], приведенными на фиг. 3. Этот факт поясняется тем, что с увеличением тепловых флюктуационных колебаний кристаллической решетки возрастает вероятность разрушения доменной структуры или вращения намагниченности невыгодно намагниченных доменов. Домены «подталкиваются» теплом к состоянию намагниченности соответствующему вектору напряженности внешнего поля, т.е. в этом интервале температур энергия тепла частично расходуется на увеличение внутреннего магнитного поля магнитного сердечника. Если же температура начинает превышать рубеж точки Кюри, колебания кристаллической решетки становятся настолько существенными, что температура начинает работать против магнитного поля, разрушая доменные структуры.From experimental observations made by different authors, it follows that at a fixed external field strength with increasing temperature, the magnetic permeability also increases, reaching a maximum near the Curie point. These observations are confirmed by data taken from [7], shown in FIG. 3. This fact is explained by the fact that with an increase in thermal fluctuation fluctuations of the crystal lattice, the probability of destruction of the domain structure or rotation of the magnetization of unprofitable magnetized domains increases. Domains are “pushed” by heat to the magnetization state corresponding to the external field intensity vector, i.e. in this temperature range, heat energy is partially spent on increasing the internal magnetic field of the magnetic core. If the temperature begins to exceed the boundary of the Curie point, the crystal lattice vibrations become so significant that the temperature begins to work against the magnetic field, destroying the domain structures.
Из сказанного следует, что катушка индуктивности будет гораздо эффективнее накапливать энергию в магнитном поле, если термочувствительный ферромагнитный элемент магнитного сердечника будет нагрет до температуры, близкой к точке Кюри, а переменное магнитное поле будет менять напряженность на участке спада кривой магнитной проницаемости, соответствующей состоянию парапроцесса. Сдвиг в эту область нетрудно обеспечить, приложив внешнее магнитное поле, например, с помощью постоянного магнита.It follows from the foregoing that the inductor will much more efficiently accumulate energy in a magnetic field if the thermosensitive ferromagnetic element of the magnetic core is heated to a temperature close to the Curie point, and an alternating magnetic field changes the intensity in the decay portion of the magnetic permeability curve corresponding to the state of the para process. A shift into this region is not difficult to ensure by applying an external magnetic field, for example, using a permanent magnet.
В этой области первая производная магнитной проницаемости от напряженности переменной составляющей магнитного поля будет отрицательной. Принцип выбора рабочего участка поясняется на фиг. 4. Пусть на выбранном участке эта зависимость имеет характер вида: , где (справедливо для соленоида). Выбор вида зависимости не носит принципиального характера. Достаточно, чтобы эта зависимость отражала общую тенденцию, соответствующую состоянию парапроцесса. В данном случае такая зависимость выбрана исключительно из желания упростить аналитические выкладки и, следовательно, изложение сути процесса. С учетом выбранной зависимости дифференциальное уравнение (2) может быть приведено к виду:In this region, the first derivative of magnetic permeability from the intensity of the variable component of the magnetic field will be negative. The principle of selecting a work area is illustrated in FIG. 4. Let on the selected site, this dependence has the character of the form: where (valid for solenoid). The choice of the type of dependence is not fundamental. It is enough that this dependence reflects the general tendency corresponding to the state of the para-process. In this case, such a dependence is chosen solely from a desire to simplify analytical calculations and, therefore, an account of the essence of the process. Given the selected dependence, differential equation (2) can be reduced to the form:
Решение этого уравнения известно:The solution to this equation is known:
Цикл преобразования энергии магнитного поля выходной обмотки в ток в паузе между импульсами генератора-возбудителя описывается дифференциальным уравнением:The cycle of converting the energy of the magnetic field of the output winding into current in the pause between pulses of the exciter-generator is described by the differential equation:
R - полезная нагрузка, , где . С учетом последнего получим:R is the payload where . Given the latter we get:
Следует отметить, что в выражениях (5) и (6) дифференциалы dH и di отрицательные, так как ток убывает. Отсюда знак минуса в выражении (6).It should be noted that in expressions (5) and (6), the differentials dH and di are negative, since the current decreases. Hence the minus sign in expression (6).
После разделения переменных и интегрирования правой и левой частей уравнения будем иметь:After separating the variables and integrating the right and left sides of the equation, we will have:
Задав начальные условия t=0 и - ток на момент окончания действий импульса генератора-возбудителя, определим постоянную интегрирования . Подставив постоянную интегрирования в уравнение (7), после несложных преобразований получим:By setting the initial conditions t = 0 and - current at the time of the end of the pulse of the generator-exciter, we define the integration constant . Substituting the integration constant in equation (7), after simple transformations, we obtain:
Как видно из соотношения (8), в начальный момент времени выражение в круглых скобках под знаком экспоненты равно нулю. С уменьшением тока выражение в круглых скобках растет и, будучи положительным, тормозит процесс спадания тока. В результате это выражается в дополнительной энергии, выделяемой на нагрузке.As can be seen from relation (8), at the initial time, the expression in parentheses under the exponent is zero. As the current decreases, the expression in parentheses increases and, being positive, slows down the current decay process. As a result, this is expressed in the additional energy released on the load.
Энергию , затраченную источником за время действия импульса, и энергию, отданную индуктивностью в нагрузку во время паузы, нетрудно рассчитать по формулам:Energy consumed by the source during the pulse, and the energy given by the inductance to the load during a pause, it is easy to calculate by the formulas:
Произведем оценку эффективности предлагаемого способа, сопоставив эти энергии. Пусть магнитопровод и термочувствительный ферромагнитный элемент, составляющие магнитный сердечник, выполнены из ферритового кольца 10000 НМ с типоразмерами: D=38 мм, d=24 мм, h=7 мм. Входная и выходная обмотки абсолютно одинаковы и имеют по двести витков N=200 с сопротивлением провода r=2 Ом. Длина обмотки l=60 мм. Тогда n=3,3·103. Индуктивность катушек с такими типоразмерами без учета магнитной проницаемости сердечника составит:Let us evaluate the effectiveness of the proposed method by comparing these energies. Let the magnetic core and the thermosensitive ferromagnetic element constituting the magnetic core be made of a 10,000 NM ferrite ring with sizes: D = 38 mm, d = 24 mm, h = 7 mm. The input and output windings are absolutely identical and have two hundred turns N = 200 with a wire resistance of r = 2 Ohms. The length of the winding l = 60 mm. Then n = 3.3 · 10 3 . The inductance of coils with such sizes without taking into account the magnetic permeability of the core will be:
В качестве аппроксимирующей зависимости для µ(H) выберем зависимость вида: . График этой зависимости помещен на фиг.5. Отсюда значение k=5000, значение µn=12700. Пусть на выходе генератора-возбудителя формируется импульсная последовательность с параметрами: амплитуда импульса - E=12 В; длительность импульса мс и длительность паузы - мс. Выходная обмотка подключена к нагрузке сопротивлением R=100 Ом. Тогда энергия, затраченная источником в течение одного импульса, составит: Дж, а энергия, отданная в нагрузку в течение паузы: Дж. При расчете энергии, отданной в нагрузку, ток в нагрузке определялся путем решения дифференциального уравнения (6) методом Рунге-Кутта. Прирост энергии за период импульсной последовательности составит: ΔW=3,01·10-3 Дж или за секунду ΔW*≈0,214 Дж/с.As an approximating dependence for μ (H), we choose a dependence of the form: . A graph of this dependence is placed in figure 5. Hence the value of k = 5000, the value of µ n = 12700. Let an impulse sequence with the following parameters be formed at the output of the exciter-generator: pulse amplitude - E = 12 V; pulse duration ms and pause duration - ms The output winding is connected to a load of resistance R = 100 Ohms. Then the energy spent by the source during one pulse will be: J, and the energy given to the load during a pause: J. When calculating the energy delivered to the load, the current in the load was determined by solving differential equation (6) using the Runge-Kutta method. The energy gain over the period of the pulse sequence will be: ΔW = 3.01 · 10 -3 J or per second ΔW * ≈0.214 J / s.
Суть изложенного подтверждает вывод, что в отличие от прототипа при реализации данного способа преобразования тепловой энергии в электрическую отпадает принципиальная необходимость в термоциклировании и, следовательно, исключаются дополнительные расходы энергии на периодическое нагревание и охлаждение рабочего тела - магнитопровода. Температура термочувствительного ферромагнитного элемента всегда может поддерживаться на требуемом уровне путем регулировки расхода теплоносителя любыми из множества известных способов. Таким образом, достигается цель изобретения - повышение эффективности процесса преобразования тепловой энергии в электрическую.The essence of the above confirms the conclusion that, in contrast to the prototype, when implementing this method of converting thermal energy into electrical energy, there is no fundamental need for thermal cycling and, therefore, additional energy costs for periodic heating and cooling of the working fluid — the magnetic circuit — are eliminated. The temperature of the thermosensitive ferromagnetic element can always be maintained at the required level by adjusting the flow rate of the coolant by any of a variety of known methods. Thus, the goal of the invention is achieved - increasing the efficiency of the process of converting thermal energy into electrical energy.
Общая мощность предлагаемого источника электроэнергии может быть повышена путем запараллеливания большого количества подобных источников, которые конструктивно можно сделать миниатюрными.The total capacity of the proposed source of electricity can be increased by parallelizing a large number of such sources, which can be made miniature constructively.
В качестве источника тепла могут использоваться любые источники: от лучистых до органических.Any source can be used as a heat source: from radiant to organic.
Если в качестве термочувствительного ферромагнитного элемента использовать материал с точкой Кюри, соответствующей температуре окружающей среды, например гадолиний (точка Кюри - tk=17°), то роль источника тепла может исполнять окружающая атмосфера.If the temperature sensing element of ferromagnetic material used with the Curie point corresponding to the ambient temperature, such as gadolinium (Curie point - t k = 17 °), then the role of the heat source may perform the ambient atmosphere.
В качестве накопителя электроэнергии может быть использован аккумулятор, подсоединенный к выходной обмотке через диод, что исключит обратную разрядку аккумулятора.As an energy storage device, a battery connected to the output winding through a diode can be used, which eliminates the reverse discharge of the battery.
Технический результат от использования заявляемых технических решений по сравнению с прототипом заключается в повышении эффективности процесса преобразования тепловой энергии в электрическую.The technical result from the use of the claimed technical solutions in comparison with the prototype is to increase the efficiency of the process of converting thermal energy into electrical energy.
Список использованных источниковList of sources used
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10 т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. - 4-е изд., стереот. - М.: Физматлит, 2000 г. - 656 с.1. Landau L.D., Lifshits E.M. Theoretical Physics: Textbook. manual: For universities. In 10 vol. T. VIII. Electrodynamics of continuous media. - 4th ed., Stereo. - M .: Fizmatlit, 2000 .-- 656 p.
2. Патент №2419919, МПК H01L 35/02, 2008. Термоэлектрический элемент.2. Patent No. 2419919, IPC H01L 35/02, 2008. Thermoelectric element.
3. Патент №2227947, МПК H01M 14/00, H02N 11/00, 2002. Емкостной конвертор тепла среды в электроэнергию.3. Patent No. 2227947,
4. Авторское свидетельство №141560, кл. 21G, 35, 1961. Способ непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.4. Copyright certificate No. 141560, cl. 21G, 35, 1961. A method for directly converting thermal energy into electrical energy.
5. Авторское свидетельство №811466. М. кл. H02N 11/00, 1981. Термомагнитный генератор.5. Copyright certificate No. 811466. M. cl. H02N 11/00, 1981. Thermomagnetic generator.
6. Авторское свидетельство №1015457, кл. H01L 31/04, H02N 11/00, 1983. Магнитотепловой генератор.6. Copyright certificate No. 1015457, cl. H01L 31/04, H02N 11/00, 1983. Magnetothermal generator.
7. ОАО «Ферроприбор»:7. OJSC "Ferroribor":
http://www.rusgates.ru/company/soft_magnetic/the_properties_of_ferrites__grades/highly_permeable_ferrite/index.phphttp://www.rusgates.ru/company/soft_magnetic/the_properties_of_ferrites__grades/highly_permeable_ferrite/index.php
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012151495/28A RU2542601C2 (en) | 2012-11-30 | 2012-11-30 | Method of conversion of thermal energy into electric and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012151495/28A RU2542601C2 (en) | 2012-11-30 | 2012-11-30 | Method of conversion of thermal energy into electric and device for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012151495A RU2012151495A (en) | 2014-06-10 |
| RU2542601C2 true RU2542601C2 (en) | 2015-02-20 |
Family
ID=51214038
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012151495/28A RU2542601C2 (en) | 2012-11-30 | 2012-11-30 | Method of conversion of thermal energy into electric and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2542601C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2620260C2 (en) * | 2015-10-06 | 2017-05-24 | Евгений Николаевич Мищенко | Device for the direct thermoelectric conversion |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU141560A1 (en) * | 1960-12-15 | 1961-11-30 | И.К. Вульфельдт | The method of direct conversion of thermal energy into electrical |
| SU811466A1 (en) * | 1979-03-19 | 1981-03-07 | Харьковский Государственный Орденатрудового Красного Знамени Университетим. A.M.Горького | Thermomagnetic generator |
| SU1015457A1 (en) * | 1981-12-09 | 1983-04-30 | Алма-Атинский Энергетический Институт | Magnetothermal generator |
| CH662020A5 (en) * | 1983-09-09 | 1987-08-31 | Ernst Marcus | Device for direct conversion of thermal energy into electrical energy, and a method for its operation |
| US6725668B1 (en) * | 1999-04-19 | 2004-04-27 | Remi Oseri Cornwall | Thermodynamic cycles and method for generating electricity |
| US20050062360A1 (en) * | 2003-09-08 | 2005-03-24 | Canon Kabushiki Kaisha | Thermal engine and thermal power generator both using magnetic body |
| RU2379820C1 (en) * | 2008-12-15 | 2010-01-20 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method to convert thermal energy into electric power |
| US8183736B2 (en) * | 2007-03-28 | 2012-05-22 | Abb Research Ltd. | Device and method for converting energy |
-
2012
- 2012-11-30 RU RU2012151495/28A patent/RU2542601C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU141560A1 (en) * | 1960-12-15 | 1961-11-30 | И.К. Вульфельдт | The method of direct conversion of thermal energy into electrical |
| SU811466A1 (en) * | 1979-03-19 | 1981-03-07 | Харьковский Государственный Орденатрудового Красного Знамени Университетим. A.M.Горького | Thermomagnetic generator |
| SU1015457A1 (en) * | 1981-12-09 | 1983-04-30 | Алма-Атинский Энергетический Институт | Magnetothermal generator |
| CH662020A5 (en) * | 1983-09-09 | 1987-08-31 | Ernst Marcus | Device for direct conversion of thermal energy into electrical energy, and a method for its operation |
| US6725668B1 (en) * | 1999-04-19 | 2004-04-27 | Remi Oseri Cornwall | Thermodynamic cycles and method for generating electricity |
| US20050062360A1 (en) * | 2003-09-08 | 2005-03-24 | Canon Kabushiki Kaisha | Thermal engine and thermal power generator both using magnetic body |
| US8183736B2 (en) * | 2007-03-28 | 2012-05-22 | Abb Research Ltd. | Device and method for converting energy |
| RU2379820C1 (en) * | 2008-12-15 | 2010-01-20 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method to convert thermal energy into electric power |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2620260C2 (en) * | 2015-10-06 | 2017-05-24 | Евгений Николаевич Мищенко | Device for the direct thermoelectric conversion |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012151495A (en) | 2014-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100388613C (en) | Dynamic thermal cycling and power generation method | |
| Hamad | Simulation of magnetocaloric effect in La0. 7Ca0. 3MnO3 ceramics fabricated by fast sintering process | |
| US20070242406A1 (en) | Electricity generating apparatus utilizing a single magnetic flux path | |
| JP5878019B2 (en) | Superconducting system | |
| Deepak et al. | Hybrid thermomagnetic oscillator for cooling and direct waste heat conversion to electricity | |
| Wang et al. | Magnetic flux valve: A magnetoelectric materials-based device for conversion and control of electric power | |
| KR20200065029A (en) | Magnetic field generation using self-calorific cooling | |
| RU2542601C2 (en) | Method of conversion of thermal energy into electric and device for its implementation | |
| JP5562556B2 (en) | Superconducting system | |
| Bahl et al. | Design, optimization and operation of a high power thermomagnetic harvester | |
| Karwacki et al. | Magnon transport through a quantum dot: Conversion to electronic spin and charge currents | |
| US20100321106A1 (en) | Amplifier | |
| RU2620260C2 (en) | Device for the direct thermoelectric conversion | |
| JP2005509394A (en) | Static electromagnetic generator | |
| US10629367B2 (en) | Permanent magnet induction generator (PMIG) | |
| RU2017101768A (en) | METHOD FOR ENERGY GENERATION IN AN INERTIA-ELECTROMAGNETIC DEVICE | |
| SU811466A1 (en) | Thermomagnetic generator | |
| RU2015148551A (en) | Inertial electric motor | |
| Revilla Aguilar et al. | Parametric transformer using PM‐inductors with saturation‐gap | |
| JP7105770B2 (en) | Apparatus and method for converting thermal energy into electrical energy | |
| Zhai et al. | Modeling and simulation of thermomagnetic materials for thermally actuated magnetization flux pumping method | |
| RU2452074C1 (en) | Method for energy production and device for its implementation | |
| Yan et al. | A novel design of thermally actuated magnetization flux pump for high temperature superconducting bulks | |
| Zacharias | Magnetic Properties of Materials | |
| US20240334833A1 (en) | Composite hybrid inductive layered electric generator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161201 |