CN115242051B - 一种基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机，所述磁流体发电机包括机械传动模块、疏水轨道模块和能量转化模块，其中：所述机械传动模块由底座、磁流体运动台、顶盖、弹簧构成；所述疏水轨道模块由条形轨道经疏水处理制成；所述能量转化模块由磁弹性体、铜线圈和杜邦线构成。本发明从磁流体的性质出发，利用其与磁场之间的相互作用，即磁流体流过磁场时，其内部的磁性纳米粒子被磁化使磁极定向排列，显示磁性，穿过铜线圈平面的磁通量发生改变，在线圈内部产生感应电动势从而发电。利用这种特性做出来的发电装置具有高寿命、高效率、零排放、零污染的优点，有效地缓解了传统发电装置造成的环境污染问题。

Description

一种基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机

技术领域

本发明属于清洁型高效发电领域，涉及一种基于电磁感应原理的发电装置，具体涉及一种基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机。

背景技术

能源是一个国家不断进步最根本的动力来源，也是人类赖以生存最根本的物质基础，电力能源作为能源结构当中的重要组成部分，为社会发展建设提供了重要保障，其自身的持久以及安全稳定效益成为了经济建设当中首选的能源种类。2021年，以化石燃料为主的火力发电方式仍占据全国发电总量的71.13％，化石燃料的过度开采和使用使资源和环境问题日益严峻，为了满足能源需求的同时改善消费结构，发展清洁可再生能源成为必由之路。

近年来，磁流体发电由于可实现由机械能向电能直接转化，已经成为一种新型、高效且环保的发电方式。磁流体发电技术通过外部输入能量驱动磁性流体经过发电通道切割磁感线从而产生感应电动势输出电能。1831年，法拉第首先研究过磁极间的玻璃管中的汞流，打开了磁流体发电的大门。1959年，美国阿夫柯-埃弗雷特实验室首次利用开发的磁流体发电机输出11.5kW的电功率并点亮228个灯泡，标志着磁流体发电技术取得初步成功。中国是世界上开展磁流体发电研究较早的国家之一，1982年开始转向燃煤磁流体发电的研究，积累了一定的理论与实践基础。与传统的火力发电相比，磁流体发电技术具有以下优势：

第一，绿色环保。磁流体发电采用磁性流体与磁场的相互作用产生电能，整个发电过程零污染、零排放，解决了大量开采、燃烧化石燃料带来的资源与环境问题。

第二，高效节能。磁流体发电技术仅需要磁铁、阀门、管道等简单构件即可实现机械能向电能的转换，由于没有机械转换环节，将传统的三级能量转换过程变为二级能量转换过程，提高了发电效率。

第三，实现低品质能量的高效利用。磁流体发电机可以利用低品质的、难以被利用的微小能量，将其转化为易被利用的、高品质的电能，拓宽了人类循环利用能量的渠道。

传统的磁流体发电技术采用的磁性流体以高温状态下电离的工作介质(含微量碱金属的惰性气体)为主，磁流体通道和电机需长期在高温惰性气体条件下工作，易被腐蚀，通道和电极材料寿命短，材料加工难度较大。利用常温铁磁流体可以较好解决此问题，这是一种将磁性纳米粒子通过表面修饰使其均匀分布在基载液中段一种稳定的胶状液体，在常规状态下，流体内部的磁性纳米粒子的磁极呈无序分布，无明显磁性，当施以外加磁场后，磁性纳米粒子被磁化而定向排列，显示磁性。磁流体具有流动性和磁响应性，使用寿命长还能重复循环使用。目前利用铁磁流体作为发电工质的研究大多处于理论研究状态。因此，开发一种使用常温铁磁流体，可以收集难以被利用的振动能量的装置具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机，以缓解传统火力发电方式带来的环境污染与资源短缺的问题，最大程度上节约能源，对难以收集和利用的能量进行高效的利用，产生更多的电能。该装置通过各个模块之间的相互配合，在收集机械能的同时输出电能，满足未来人类生活与发展中对低品质能量高效利用的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机，包括机械传动模块、疏水轨道模块和能量转化模块，其中：

所述机械传动模块由底座、磁流体运动台、顶盖、弹簧构成；

所述疏水轨道模块由条形轨道经疏水处理制成；

所述能量转化模块由磁弹性体、铜线圈和杜邦线构成；

所述底座为圆柱异型底座，侧壁上端加工有两个对称的圆弧形缺口，在侧壁上端未加工圆弧形缺口处加工有两个盲孔A，弹簧固定在盲孔A中；

所述磁流体运动台上表面中间开有与条形轨道尺寸相同的矩形槽，矩形槽中心加工有线圈槽和磁弹性体槽，线圈槽边沿两端各开有一个螺纹通孔A，磁流体运动台两侧沿条形轨道方向各开有一个螺纹通孔B，磁流体运动台下表面两侧沿垂直于条形轨道方向各开有一个盲孔B，盲孔B中固定有树脂螺钉B；

所述顶盖为伞形，在直径两端各加工有一个螺纹通孔C；

所述磁弹性体放在磁弹性体槽中，铜线圈放在线圈槽中，杜邦线接在铜线圈两端的引线上，杜邦线穿过线圈槽边沿的螺纹通孔A引出；

所述条形轨道粘接在矩形槽中；

所述螺纹通孔C和螺纹通孔B中穿过树脂螺钉A将顶盖和磁流体运动平台固定在一起；

所述树脂螺钉B插入弹簧中。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明从磁流体的性质出发，利用其与磁场之间的相互作用，即磁流体流过磁场时，其内部的磁性纳米粒子被磁化使磁极定向排列，显示磁性，穿过铜线圈平面的磁通量发生改变，在线圈内部产生感应电动势从而发电。利用这种特性做出来的发电装置具有高寿命、高效率、零排放、零污染的优点，有效地缓解了传统发电装置造成的环境污染问题。

2、本发明的振动传递模块与能量转化模块之间通过螺钉固定，能量转化模块与能量收集模块之间通过杜邦线连接，每个模块之间配合方式简单、易于拆卸。整个装置结构简单，方便更换维修，有效解决传统发电装置维修困难的问题。

3、本发明使用的材料包括树脂、铜线、磁流体与弹簧等，所有材料均简单易得、成本低廉，大大降低了整个装置的成本，提高了装置的经济效益。

4、本发明实现了对新型发电技术的应用，利用弹簧-平台结构对微小振动具有较好响应的特点和磁流体在超疏水表面上能够快速运动的特点，可利用微小的机械能实现往复振动，继而转化为电能。而自然界中难以被利用的能量随处可见，如雨滴下落的势能、风能等，均可使用本装置进行能量的转化，具有普适性强，可适用于多种场合的优点。

5、本发明的所有模块内部不存在机械传动，振动动传递模块和能量转化模块与底座仅仅利用弹簧实现往复摆动，大大减小了能量在传动中的损耗，进一步提高了能量转化效率。

附图说明

图1为本发明磁流体发电机的结构示意图，1-顶盖，2-铜线圈，3-输水轨道，4-磁流体运动台，5-磁弹性体，6-轻质弹簧，7-底座；

图2为磁流体运动台结构示意图；

图3为顶盖结构示意图；

图4为底座结构示意图；

图5为进行机械性能测试装置的结构示意图；

图6为磁弹性体磁通量分布示意图；

图7为疏水轨道接触角测试图；

图8为本发明磁流体发电机对不同大小冲击的机械响应与电学响应；

图9为液体小球为水时的线圈电压状况及中间时刻磁通量图；

图10为液体小球为Fe₃O₄活性剂的线圈电压情况及中间时刻磁通量分布图；

图11为线圈匝数为900匝时的线圈电压状况及中间时刻磁通量图；

图12为线圈匝数为1400匝时的线圈电压状况及中间时刻磁通量图；

图13为线圈匝数为1900匝时的线圈电压状况及中间时刻磁通量图；

图14为线圈匝数为2400匝时的线圈电压状况及中间时刻磁通量图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机，如图1-图4所示，所述磁流体发电机包括机械传动模块、疏水轨道模块和能量转化模块，所用材料包括树脂螺钉四个，杜邦线两根，伞形透明顶盖一个，条形黄铜轨道一个，运动平台一个，圆柱异形底座一个，磁弹性体一块，900匝、1400匝、1900匝、2400匝铜线圈各一个，轻质弹簧两根。具体结构如下：

所述机械传动模块由底座、磁流体运动台、顶盖、轻质弹簧构成；

所述疏水轨道模块由条形黄铜轨道经疏水处理形成；

所述能量转化模块由磁弹性体、铜线圈和杜邦线构成；

所述底座和磁流体运动台选取树脂材料并采用3D打印技术进行加工；

所述底座为圆柱异型底座，侧壁上端加工有两个对称的圆弧形缺口，在侧壁上端未加工缺口处加工有两个盲孔A，将两个轻质弹簧插入盲孔A中并用胶固定；

所述磁流体运动台上表面中间开有与条形黄铜轨道尺寸相同的矩形槽，矩形槽中心依次加工圆形线圈槽和圆形磁弹性体槽，在圆形线圈槽边沿两端各开一个螺纹通孔A，沿条形黄铜轨道方向在磁流体运动台两侧各开一个螺纹通孔B，沿垂直于条形黄铜轨道方向在磁流体运动台下表面两侧各开一个盲孔B，将两个树脂螺钉B用胶固定在盲孔B中；

所述顶盖为伞形，选用透明树脂材料加工而成，在直径两端各加工一个螺纹通孔C；

所述磁弹性体由硅胶与磁粉混合，再经磁化器1600V瞬时磁化制成，控制磁粉与硅胶的质量比为1：6；

所述杜邦线接在铜线圈两端的引线上，使用时首先将磁弹性体放入圆形磁弹性体槽中，再将铜线圈放入圆形线圈槽中，将铜线圈两端的杜邦线穿过圆形线圈槽边沿的螺纹通孔A引出；

所述条形黄铜轨道经疏水处理后在外底面涂胶并将其粘在矩形槽中；

所述两个树脂螺钉A穿过顶盖的螺纹通孔C和磁流体运动平台的螺纹通孔B将二者固定在一起，将磁流体运动台下表面的两个树脂螺钉对准底座的两个轻质弹簧并插入即可。

本发明中，所述顶盖使用圆锥体中空处理制成，顶盖上端采用伞形结构可保证雨滴能够在滴落后迅速沿顶盖滑落至边缘，产生较大幅度摆动将势能充分转化；同时，其可以作为取风装置，针对不同来流的风向产生流速差及压强差，使运动台产生振动从而发电。

本发明中，所述杜邦线从磁流体运动台引出后，可以选择接入储能模块将产生的电能储存，也可经过整流后直接利用。

本发明中，磁流体发电机的工作过程为：在疏水轨道中滴入铁磁液体后，通过顶部的透明伞形顶盖捕获能量并使自身产生一个振动，从而带动与其固定在一起的磁流体运动台一起振动，由于双弹簧的作用使振动循环往复，疏水轨道中的磁流体也随之在轨道内作循环往复的直线运动。磁弹性体会在疏水轨道中段产生一个磁场，磁流体在疏水轨道两端时呈未磁化状态，流经疏水轨道中段后呈磁化状态，在磁流体循环往复运动的过程中会在铜线圈平面不断产生磁通量变化，根据楞次定律，轨道底部的铜线圈内部会不断产生感应电动势，达到发电效果。

本发明中，磁流体发电机的工作原理为：考虑到磁流体的流动性和磁响应性，通过外部输入微小振动使整个装置振动，带动磁性液滴在轨道内往复运动，在轨道中段的磁弹性体产生的磁场的作用下，不断改变磁化状态从而产生磁通量变化，进而在铜线圈上产生感应电动势来发电。

本发明中，磁流体发电机的意义为：我国目前仍然以火力发电为主要发电方式，但我国生产的大多数煤炭品质较低，处理方式较为落后导致污染严重。另外，生活中有很多人类想利用却难以利用的微小机械能，弃之可惜。因此，本发明决定利用磁流体的磁响应性，结合弹簧结构对微小机械振动的响应性，设计一款可将微小机械能转化为电能的磁流体发电机。在结构方面采用了弹簧-运动台结构以达到收集机械能并将其转化为振动的目的，同时，各个模块之间配合简单，方便拆卸，使用的所有材料均易获得、零污染，是一种高效使用的、环境友好的新型发电装置。

本发明磁流体发电机的性能分析：

为实现装置的实际运行，需要对装置的运行参数进行合理的选取，分别从以下三个方面开展实验测试：机械传动-发电综合效果实验、疏水轨道性能实验和装置发电效果模拟实验，其中：疏水轨道性能实验中通过对所制备的超疏水轨道进行疏水效果测试，评估其是否使磁流体能够获得更好的运动特性；机械传动-发电综合效果实验通过给予弧形顶盖不同大小的冲击，来测量装置产生的电学响应，进而评估装置整体的性能。装置发电效果模拟实验是通过替换流体工质、改变线圈匝数来探究装置最佳参数。

1、疏水轨道性能实验

为了减小磁流体受轨道阻力的影响，使其能在轨道上更加快速的运动，需要对磁流体在疏水轨道上的形态和运动特性进行测试。本发明首先对磁流体在疏水轨道上的接触角做了测试，结果如图7所示，接触角θ＞175°，证明疏水效果优异，磁流体能够在疏水轨道上快速移动，能够保证本发明的磁流体发电机对微小振动产生响应。

2、机械传动-发电综合效果实验

图5为实验装置的示意图，实验使用铁架台、30cm钢尺、质量分别为1g、2g、3g的弹性小球、万用表以及本发明的磁流体发电机(实验采用铜线圈为900匝)。将钢尺底部0cm处与磁流体发电机顶部对齐，将小球分别从相对磁流体发电机顶部5cm、10cm、15cm、20cm、25cm和30cm的高度自由落体，记录磁流体发电机的最大摆动角与峰值电压，以探究以收集雨滴能量为背景下轨道灵敏度及发电效果是否达到要求，测试结果如图8所示。结果显示，装置的最大摆动角与小球下落高度近似为正相关，如图8(a)所示。而能量转化模块产生的峰值电压与摆动角度近似为正相关，如图8(b)所示。实验证明，轨道的灵敏度和发电效果达到要求。

3、装置发电效果模拟实验

实验为了排除磁流体其他成分对实验结果的干扰，在软件中将磁流体的材料参数分别设置为磁流体及纯水，模拟计算两种工况下线圈两端电压的大小及在中间时刻周围磁通量的分布情况，结果如图9和图10所示。在法拉第电磁感应定律中，线圈匝数与线圈两端电压存在正相关关系。然而，在本磁流体发电机中，过高的线圈匝数意味着更大的电阻及电能耗散，为综合衡量不同匝数线圈对装置发电性能的影响。本发明设计了900匝、1400匝、1900匝、2400匝四种工况进行，进行模拟仿真计算，比较磁流体运动过程中线圈两端电压及磁通量分布情况，结果如图11～14所示(以上结果均在商业仿真软件COMSOL中完成)。根据测试结果，排除了其他成分的干扰。从测试结果及成本等方面分析，最终选择1900匝作为本发明磁流体发电机的最优线圈匝数。

Claims (8)

1.一种基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机，其特征在于所述磁流体发电机包括机械传动模块、疏水轨道模块和能量转化模块，其中：

所述机械传动模块由底座、磁流体运动台、顶盖、弹簧构成；

所述疏水轨道模块由条形轨道经疏水处理制成；

所述能量转化模块由磁弹性体、铜线圈和杜邦线构成；

所述底座为圆柱异型底座，侧壁上端加工有两个对称的圆弧形缺口，在侧壁上端未加工圆弧形缺口处加工有两个盲孔A，弹簧固定在盲孔A中；

所述磁流体运动台上表面中间开有与条形轨道尺寸相同的矩形槽，矩形槽中心加工有线圈槽和磁弹性体槽，线圈槽边沿两端各开有一个螺纹通孔A，磁流体运动台两侧沿条形轨道方向各开有一个螺纹通孔B，磁流体运动台下表面两侧沿垂直于条形轨道方向各开有一个盲孔B，盲孔B中固定有树脂螺钉B；

所述顶盖为伞形，在直径两端各加工有一个螺纹通孔C；

所述磁弹性体放在磁弹性体槽中，铜线圈放在线圈槽中，杜邦线接在铜线圈两端的引线上，杜邦线穿过线圈槽边沿的螺纹通孔A引出；

所述条形轨道粘接在矩形槽中；

所述螺纹通孔C和螺纹通孔B中穿过树脂螺钉A将顶盖和磁流体运动平台固定在一起；

所述树脂螺钉B插入弹簧中。

2.根据权利要求1所述的基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机，其特征在于所述铜线圈的匝数为1900匝。

3.根据权利要求1所述的基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机，其特征在于所述底座和磁流体运动台选取树脂材料并采用3D打印技术进行加工。

4.根据权利要求1所述的基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机，其特征在于所述顶盖使用圆锥体中空处理制成。

5.根据权利要求1所述的基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机，其特征在于所述顶盖选用透明树脂材料加工而成。

6.根据权利要求1所述的基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机，其特征在于所述磁弹性体由硅胶与磁粉混合，再经磁化器1600V瞬时磁化制成。

7.根据权利要求6所述的基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机，其特征在于所述磁粉与硅胶的质量比为1：6。

8.根据权利要求1所述的基于电磁感应定律实现发电的磁流体发电机，其特征在于所述条形轨道的材质为黄铜。