一种霍尔型磁流体发电机

摘要

本发明涉及一种磁流体发电机，属于磁流体发电技术领域。该发电机主体呈盘状的圆形或扇形，包括发电通道、分别设于发电通道上下的一对相反极性的磁体、连接发电通道入口的入口通道和连接发电通道出口的回收通道；发电通道的入口处和出口处分别设有彼此成对的阴、阳电极；发电通道由二个以上的扇形扩张通道并排拼接构成；阴、阳电极的对数与扇形扩张通道的数量相同；发电机在工作时，扇形扩张通道之间形成电磁隔绝。本发明的发电机，将现有技术中的盘型发电通道拆分为若干等分的扩张通道，而不需要制造出整个圆盘，各通道结构相同，可进行统一化加工，加工成本低；二是可以改进原有盘式的缺点，提高发电的稳定性和效率，延长发电机的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁流体发电机，属于磁流体发电技术领域。

背景技术

磁流体发电机，是一种以导电气体为工质运动切割磁力线而产生感应电动势和感生电流的发电机，其发电原理与普通发电机原理相同，都是电磁感应定律。导电气体工质既可以是含碱金属离子的非平衡等离子体作为工质，也可选用高温热平衡或局部热平衡的惰性气体等离子体作为工质。

目前等离子体磁流体发电机通常分为法拉第型等离子体磁流体发电机和霍尔型磁流体(通常采用等离子体)发电机。前者一般以电极位于通道两侧的直通道作为发电区域，以高温电离的导电气体为工质来发电的。其工质温度通常在1500-2000K左右，它和蒸汽联合循环的发电效率可达50％～60％。后者与前者相比发电通道多为碟状盘式，电极分别分布于盘的入口和出口位置，通常为闭环磁流体发电，较前者而言优势在于减弱边界层分离、抑制电子温度波动。工质温度范围比前者更大，高温可达10000-13000K，发电效率更高。

盘式磁流体发电机的结构布局是为了利用霍尔效应进行发电而设计。在盘式磁流体发电机中，导电气体沿径向方向流动，磁场沿轴线方向。导电气体切割磁场产生法拉第电流和径向电流(霍尔电流)，在气流流动方向放置的一对电极将径向电流引出，切向的电流分量(法拉第电流)自身完全短路，与气流方向和磁场方向垂直，盘式磁流体发电机发电完全依靠霍尔效应。

盘式磁流体发电机的焓提取率较直通道磁流体发电的效率更高，最高可达55％，相比于法拉第型等离子气体磁流体发电机具有以下几点优势：

1)相同距离下沿径向方向的电压要比法拉第型的高，这样就提高了输出的总电能和单位体积输出的电能，发电机结构可以很紧凑；

2)盘式磁流体发电机使用简单的环形电极，电压压降小，而法拉第型发电机涉及到整个发电通道及复杂的电极分段问题；

3)盘式磁流体发电机简洁紧凑的结构布局使得对应的磁体系统也可以设计得很简单，磁场由一对放置于圆盘上下两面的电磁线圈或永磁体提供，而法拉第型须使用鞍型磁体，制造难度大。

由于盘式磁流体发电机的发电效率相对较高，在未来的商业应用前景中也显现出明显的优势。在空间的应用背景下，考虑发电机系统的整体结构、技术难度、闭环使用等因素，盘式磁流体发电机相比于法拉第型发电机具有巨大的优势。

发明内容

本发明要解决技术问题是：克服上述技术的缺点。提供一种采用绝缘隔离的方法削弱法拉第电流，从而提高焓提取率，稳定发电性能的霍尔型磁流体发电机。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种霍尔型磁流体发电机，包括发电通道、分别设于所述发电通道上下的一对相反极性的磁体、连接所述发电通道入口的导电气体入口通道和连接所述发电通道出口的导电气体回收通道；所述发电通道的入口处和出口处分别设有彼此成对的阴、阳电极；其特征在于：所述发电通道由二个以上的扇形扩张通道并排拼接构成；所述阴、阳电极的对数与所述扇形扩张通道的数量相同；所述发电机在工作时，所述扇形扩张通道之间形成电磁隔绝。

本发明的发明人通过目前的一些理论研究发现：传统盘式磁流体发电机在运行过程中也存在着一些问题，主要有以下几点：1)放电结构不均匀；电流局部过于集中；2)局部洛伦兹力过大；3)工质速度下降，静压上升；4)霍尔系数、电导率下降。这主要是因为盘式磁流体发电机内部工质集中于盘中，当工质径向流动与磁场相互作用时除了径向流动方向的霍尔电流外，在垂直于中心轴和径向的方向上也会产生法拉第电流即切向电流(其中σ为导电气体的电导率；β为导电气体的霍尔系数；u_r为导电气体径向速度；u_θ为导电气体切向速度；E_r为径向电场强度；E_θ为切向电场强度)。我们发现当电导率较高时会形成环形的法拉第电流通路，这会造成局部洛伦兹力增加阻碍流体的径向流动，使得静压升高，引起等导电气体电导率不均匀，电离不稳定，造成放电结构不均匀，电流局部过于集中，造成发电效率下降和发电机的损坏。

本发明采用沿通道径向绝缘隔离的方法削弱因叠加而造成法拉第电流强度不断增加所引起的如背景技术中所述结果的影响，从而提高焓提取率，稳定发电性能和保护发电机部件。当发电通道加上绝缘隔离壁面(每个扇形扩张通道之间)后，每个扇形扩张通道相比以往的单个整体发电通道的空间相对压缩，从而使得导电气流等工质的径向流动速度增大，从以上的切向电流的表达式中不难看出，当径向速度增加时切向电流随之减小且由于绝缘隔离的作用不会形成原先的环形电流通路，从而减小局部洛伦兹力，提高了发电性能。

需要特别说明的是：上述对现有盘式磁流体发电机的存在问题背后的原因揭示和理论认识是发明人所独有的，没有现有技术的任何启示。显然没有这种独到的发现和认识不能得到本发明的技术方案，本发明看似简单的技术方案与这种独到的发现和认识之间有着不可割裂的联系。

上述技术方案进一步的改进在于：1)所述发电通道是由非导磁、非导电材料制成；所述扇形扩张通道的截面是渐变的矩形。2)所述磁流体发电机的主体呈盘状圆形，所述发电通道由二个以上的扇形扩张通道并排拼接构成圆环形。3)所述磁流体发电机的主体呈盘状扇形，所述发电通道由二个以上的扇形扩张通道并排拼接构成扇环形。4)所述磁体由二个以上与所述扇形扩张通道相对应的扇形块并排拼接形成圆环形。5)所述磁体由二个以上与所述扇形扩张通道相对应的扇形块并排拼接形成扇环形。6)所述阳电极位于所述扩张发电通道的入口处的上下两侧，所述阴电极位于所述扩张发电通道出口处的上下两侧，所述阳电极和阴电极分别连接用电设备或负载。7)所述导电气体入口通道的末端和所述导电气体回收通道的起始端均是弧形过渡。8)所述磁体是永磁体或电磁圈。9)所述导电气体回收通道分割成与所述扇环形扩张通道数量对应的多个。

本发明提供的霍尔型磁流体发电机，将现有技术中的圆盘型发电通道拆分为若干等分的扇形扩张通道，此措施一是结构简单，只要根据需求加工相应个数的通道即可，而不需要制造出整个圆盘，各通道结构相同，可进行统一化加工，加工成本低；二是可以改进原有盘式的缺点，提高发电的稳定性和效率，延长发电机的使用寿命，即使在使用过程中出现某个扩张通道的损坏也可继续使用，且维修方便，通道互换性能好；三是可以根据实际空间需要，通过扇形扩张通道的拼接布置，形成完整圆形盘状发电机或者扇形盘状发电机进行发电，相比现有仅有圆形盘状发电机，本发明的发电机形状可以更加灵活多变。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是图1中A-A向剖面结构示意图。

图3是图1中单个扩张通道结构示意图。

图4是本发明实施例二的结构示意图。

图5是图4中B-B向剖面结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的霍尔型磁流体发电机，如图1至图3所示，发电机整体呈圆形盘状，包括：发电通道、位于发电通道上下的环形磁体、连接在发电通道入口的导电气体入口通道1、连接在发电通道出口的导电气体回收通道6；发电通道的入口处设有阳电极2，发电通道的出口处设有阴电极4。

在本实施例中，发电通道是由十二个扇环形扩张通道3并排组成圆环形；阳电极2和阴电极4彼此成对的对数与扩张通道3的数量相同，也是十二对；每个扇环形扩张通道3均是由非导磁、非导电材料(比如塑料或玻璃钢)制成。每个扇形扩张通道的截面是渐变的矩形。导电气体入口通道1和导电气体回收通道6是整体圆环形盘状，导电气体从一个入口通道1分别进入十二个扇环形扩张通道3，然后又从十二个扇环形扩张通道3汇集到一个导电气体回收通道6。

在本实施例中，阳电极2位于每个扇形扩张通道3的入口处的上下两侧，阴电极4位于每个扇形扩张通道3扩张发电通道出口处的上下两侧

本实施例中，位于发电通道上、下的一对永磁体均是整体的圆环形盘状。其中位于发电通道上的永磁体以S极5朝向发电通道，位于发电通道下的永磁体以N极7朝向发电通道。

本实施例中，导电气体入口通道的末端和所述导电气体回收通道的起始端均是弧形过渡，便于导电气体流动。

本实施例中，在发电通道(即每个扇形扩张通道3)内通入含碱金属种子的非平衡等离子体作为工质。工质从入口通道1流入，沿发电通道径向切割由永磁铁S极5、永磁铁N极7所产生的强磁场，从而产生径向的霍尔电流和法向的法拉第电流，通过径向电流所产生的电势差来进行发电，用电设备或负载即可连接在阳电极2和阴电极4之间做功。

理论上来说，通道个数越多发电效果应该越明显，但实际中因为每个通道中流体与通道壁面摩擦会有一定的热损失，扇形扩张通道个数越多，损失也就越大，所以发电效率反而会因此而下降，所以为了兼顾发电效率，需要对扇形扩张通道的个数加以优化，因而具体扇形扩张通道的个数由发电功率大小和制作成本优化而定，不局限于本实施例的十二个，但至少应当是二个。

本实施例中使用采用含碱金属种子的非平衡等离子体作为工质，也可选用高温热平衡或局部热平衡的惰性气体等离子体作为工质。既可以与燃煤发电机联合发电，也可以利用核反应堆加热惰性气体产生等离子体发电。

实施例二

本实施例的霍尔型磁流体发电机，如图4和图5所示，发电机整体呈盘状扇形(120度扇形)，发电通道是由四个扇环形扩张通道3并排组成扇环形(120度)，永磁体也呈扇环形(120度)；其他结构与实施例一相同，不再赘述。

本发明不局限于上述实施例的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。比如：1)发电机整体也可以呈椭圆形或不规则圆形，相应的发电通道可以呈椭圆环形或不规则圆环形；2)阳电极2和阴电极4在发电通道的入口或出口位置可以互换；3)扇形扩张通道的截面也可以是渐变的梯形或其他形状；4)永磁体的S极和N极7在发电通道的上下位置可以互换；5)永磁体也可以由二个以上与扇形扩张通道相对应的的扇形块并排拼接形成圆环形或扇形，扇形块的数量与扇形扩张通道的数量相同；5)永磁体也可以由电磁线圈代替；6)发电机整体可以由多个扇形扩张通道并排拼接构成半圆环形、四分之一圆环形或八分之一圆环形；7)导电气体入口通道的末端和所述导电气体回收通道的起始端也可以是非弧形过渡；8)导电气体回收通道6也可以分割成与扇环形扩张通道3数量对应的多个；等等。凡采用等同替换形成的技术方案，均为本发明要求的保护范围。