热磁量子发电机及发电方法与流程

[0001]
本发明涉及热静电发电技术，具体涉及热磁量子发电机及发电方法。


背景技术：

[0002]
传统的热能发电工艺大都是热源加热中间流体介质产生汽化，然后蒸汽膨胀动力推动汽轮机旋转带动转子发电机发出电能。由于热蒸汽法发电的工艺流程多、体系庞大、运动设备多、磨损腐蚀严重、停产检修多、安全隐患多、占地占厂房多、投资成本大、维修量多。因此科研人员一直在努力研究，能找到一种静态、无噪音、占地少、投资少、安全可靠、效率及效益高的热电直转方法。
[0003]
近年来在seeback热电效应指导下，研究人员研究了多种热电材料，尤其近几十年来，研究人员利用纳米材料技术、声子玻璃电子晶体材料技术、各向异性材料技术、甚至到零维材料具有量子尺寸效应的量子点技术，使热电材料的zt优值从1.0提到3.5，但离工业化应用所要求的5以上或10左右的数值相差还很大，热电效率也难以达到5%以上。
[0004]
热电材料的热电效率之所以太低，主要原因是对提高zt优值的要求本身存在常规意义上的矛盾，使研究技术本身难以适从。对于既要高导电又要低导热的矛盾要求，仅用材料技术很难达到此矛盾性要求。
[0005]
还有一种较流行的研究方法—“磁材料温变磁通线圈感应法”。
[0006]
此种磁材料温变线圈法的基本原理是利用铁磁材料的“居里温度效应”，在外磁场极化环境中对铁磁材料交替加热升温与冷却降温，铁磁材料出现升温消磁与冷却磁化的磁通量变化，此时在铁磁体外缠绕的线圈中将出现感应电流。从而达到热磁电直转的效果。
[0007]
但由于上述方法工艺中强制冷却剂冷却法存在一些不足：大量热量被散失浪费，磁感线圈中最高磁场强度是磁铁材料的极化强度，很难进一步提高线圈中的磁通量变化值，感应电流亦很难提高，由于温度场的变化速度很慢，热传导是能量传递中的较慢方式，导致铁磁材料的消磁与磁化的变化速度亦很慢，相应线圈内的磁通变化速率很低。从上述分析中看出，第条的散热冷却降温法决定了此种热磁电直转法的热能浪费大、效率低，第条及第条是磁通变量界限小及磁通变量缓慢，决定了无法实现大功率发电。
[0008]
国内外科研人员进行了大量研究实验，虽然取得一定的进步但其结果还是功率低及效率低。热电转换率一般不到1%，个别较导好的效果也难达到5%。此种热磁电法的效率还达不到工艺简单的热电材料法的热电效率。这在热磁电理论上，是一种不正常现象。
[0009]
因此必须从热振动微观机理、磁化磁矩微观机理、磁振阻尼机理磁化电流机理、电磁安培环路定律、磁共振机理、热磁协频机理、电子能级跃迁量子化机理及多因素相互作用的量子化共振机理来解决热磁电高效转化及大功率发电的两项重大难题。


技术实现要素：

[0010]
本发明的一个目的是提供热磁量子发电机，把热磁协振能量量子化转变成电子能级跃迁的量子化电流能量，这种热磁量子发电机用于解决目前热磁变电技术的发电效率低的问题；本发明的另一个目的是提供这种热磁量子发电机的发电方法。
[0011]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种热磁量子发电机包括热源炉或热源容器、传热换热器、热强度调节器、大型导热板、p型热电铁磁基材料板、n型热电铁磁基材料板、小型辅助冷却板、可调节辅助散热器、电极板、外输电路、热磁电共振量子化发电工况监测反馈与自动调节系统、监测数据反馈中心管理与自动协同调节控制系统，通过热源加热炉和传热换热器对大型导热板加热，传热换热器设置热强度调节器，大型导热板与小型辅助冷却板之间平行设置p型热电铁磁基材料板和n型热电铁磁基材料板，p型热电铁磁基材料板和n型热电铁磁基材料板构成pn节，使pn节两端产生温差；外磁场使pn节的周向产生环形磁力线，外磁场设置磁场变频器，外磁场为外加协频磁场；p型热电铁磁基材料板和n型热电铁磁基材料板分别连接电极板，电极板与外输电路连接，外输电路设置电能监测与电能输出装置；热磁电共振量子化发电工况监测反馈与自动调节系统包括测量温度及温差监测系统、测量平均振动振频系统、测量外磁场频率及强度系统、测量磁化电流系统、测量热功率、磁功率、电功率及热磁电转换效率监测系统，热磁电共振量子化发电工况监测反馈与自动调节系统测量的各指标传输到监测数据反馈中心管理与自动协同调节控制系统。
[0012]
这种热磁量子发电机的发电方法为：将大型导热板通过热源加热，热量经传热换热再通过热强度调节器，对pn节一端加热，小型辅助冷却板对pn节另一端降温，使pn结两端形成温差，在seeback第一热电效应下，pn结中p型热电铁磁基材料板内正电荷空穴，以及n型热电铁磁基材料板中的电子能级，在温差驱动下均发生能级跃迁，产生出seebeck效应下的量子化自由电荷移动，p型热电铁磁基材料板和n型热电铁磁基材料板分别连接电极板，将电极板与外输电路连接；pn节两端产生电压，此时沿pn节施加周向外磁场，同时开启磁场变频器,调节磁强度，则在pn节的垂直方向得到附加电压，产生霍尔电压现象，提高高温热电材料板的电动势；pn节的原子出现不规则混乱振动，当外部环境施加强磁场时，在磁感应力作用下，将强制限制不规则振动原子自身磁矩的混乱状态，从而强制其按一定方向有序排列，形成一定规则的磁畴；外部强磁场强制高温材料的磁化，从而抑制了原子的混乱振动，降低高温热电材料板温度，出现了居里温度效应的逆效应，即磁消热效应；磁化电流与自由电流的协同作用，pn节中的原子及电子在磁场中做往复运动，每一个振动循环都将提高一次电子的能级，当电子能级高到一定程度时，电子将脱离原子核的束缚向低能级环境运行，产生量子化跃迁效应，磁场中所有的原子电子的能级变化均以此类推，形成了电子的定向流动，形成热振动磁增电的量子化现象；涡旋磁力线中的粒子热振动将产生安培电流，而该电流在磁场的作用下又将产生与粒子热振动方向相反的电磁阻力，从而抑制了粒子热振动，形成热阻降温效果；磁化电流的表面趋肤效应，高温热电材料板周围的环形磁力线在高温热电材料板表面纵向上形成右手法则的磁化电流；核磁共振及顺磁共振量子化能级跃迁效应；第一热电量子化能级跃迁效应、磁电霍尔附加电压效应、磁化电流的附加磁场作用、热
振涡磁的量子化能级跃迁的第四热电效应、核磁共振量子化能级跃迁效应、磁阻热增电合成高zt优值效应，把热磁能量量子化转变成电子能级跃迁的电流能量，完成了热磁量子发电机发电功能，发电电流通过电极板向外输电；通过热磁电互共振量子化发电工况监测反馈与自动调节系统、监测数据反馈中心管理与自动协同调节控制系统，自动调节热振动频率、磁强度，优化热磁共振量子发电的直转效率。
[0013]
本发明具有以下有益效果：1、本发明提出了“热磁量子发电机”的新概念。
[0014]
2、本发明提出了“热磁共振”电子能级暴增跃迁的热磁共振初步理论。
[0015]
3、本发明把以下六大热电效应有机协调起来，统一产生电子能级量子化跃迁，得到大功率的热电高效转化率。六大热电效应：seebeck第一热电效应，磁电霍尔附加电压效应，磁化电流附加磁场作用，热振电子漩涡磁场中循环增能的量子化跃迁的第四热电效应，核磁（顺磁）共振与热磁协振量子化能级跃迁效应，“磁阻热增电”提高zt优值的“居里温度”效应的反效应。
[0016]
4、本发明设置了多种在线热磁电共振直电转化检测系统在线反馈并自动调节热振频与磁（变频率）强度等参数，达到热磁电共振量子发电的最佳工况。
[0017]
5、本发明提出了热磁电转换相关的四个新工艺技术：居里温度逆效应工艺技术—“磁阻尼”效应，即“磁阻热降温效应”工艺技术，利用外加强磁场可以冷却高温铁磁材料。
[0018]
霍尔电压的温差效应工艺技术，在存在温差的材料棒上施加强磁场，则会在温差材料棒上产生附加电压。
[0019]
本发明提出了热振动粒子与漩涡磁场循环周期作用的电子量子化增能跃迁的“第四热电效应”。振动磁涡增能发电效应工艺技术，往复振动的原子电子在磁旋窝场中振动一个循环回到原始点，此磁强度的环积分不为零（而在位势场的电场中其环积分恒等于零）。当电子能级升高到超过原子核的束缚能时，此电子将脱离轨道流向低能级区。从而产生量子化的电子定向流动。符合“右手法则”的安培环路电流定律。
[0020]
磁化电流的表面效应，材料棒周围的环形磁力线在材料表面纵向形成“右手法则”的磁化电流现象。
附图说明
[0021]
图1是本发明原理图；图2是本发明装置；图3是热磁电共振量子化发电工况监测反馈与自动调节系统与监测数据反馈中心管理与自动协同调节控制系统工作原理图。
[0022]
图中：1热源炉；2传热换热器；3热强度调节器；4大型导热板； 5 p型热电铁磁基材料板；6 n型热电铁磁基材料板；7小型辅助冷却板；8可调节辅助散热器；9电极板；10热磁电
共振量子化发电工况监测反馈与自动调节系统；11监测数据反馈中心管理与自动协同调节控制系统；12外磁场；13磁场变频器；14电能监测与电能输出装置。
具体实施方式
[0023]
下面结合附图对本发明作进一步的说明：结合图1、图2所示，这种热磁量子发电机包括热源炉1或热源容器、传热换热器2、热强度调节器3、大型导热板4、p型热电铁磁基材料板5、n型热电铁磁基材料板6、小型辅助冷却板7、可调节辅助散热器8、电极板9、外输电路、热磁电互共振量子化发电工况监测反馈与自动调节系统10、监测数据反馈中心管理与自动协同调节控制系统。通过热源炉1和传热换热器2对大型导热板4加热，传热换热器2设置热强度调节器2，大型导热板4与小型辅助冷却板7之间平行设置p型热电铁磁基材料板5和n型热电铁磁基材料板6，p型热电铁磁基材料板5和n型热电铁磁基材料板6构成pn节，使pn节两端产生温差；外加强磁场使pn节的周向产生环形磁力线，外磁场12设置磁场变频器13；p型热电铁磁基材料板5和n型热电铁磁基材料板6分别连接电极板9，电极板9与外输电路连接，外输电路设置电能监测与电能输出装置14；热磁电共振量子化发电工况监测反馈与自动调节系统10包括测量温度及温差监测系统、测量振动振频系统、测量外磁场频率及强度系统、测量磁化电流系统、测量热功率、磁功率、电功率及热磁电转换效率监测系统，热磁电共振量子化发电工况监测反馈与自动调节系统10测量的各指标传输到监测数据反馈中心管理与自动协同调节控制系统11。
[0024]
这种热磁量子发电机的发电方法为：将大型导热板4通过热源加热，热量经传热换热器2再通过热强度调节器3，对pn节一端加热，小型辅助冷却板7对pn节另一端降温，使pn结两端形成温差，在seeback第一热电效应下，pn结中p型热电铁磁基材料板5内正电荷空穴，以及n型热电铁磁基材料板6中的电子能级，在温差驱动下均发生能级跃迁，产生出seebeck效应下的量子化自由电荷移动，p型热电铁磁基材料板5和n型热电铁磁基材料板6分别连接电极板9，将电极板9与外输电路连接；pn节两端产生电压，此时沿pn节施加周向外磁场，同时开启磁场变频器13,调节磁强度，则在pn节的垂直方向得到附加电压，产生霍尔电压现象，提高了高温热电材料板的电动势；pn节的原子出现不规则混乱振动，当外部环境施加强磁场时，在磁感应力作用下，将强制限制不规则振动原子自身磁矩的混乱状态，从而强制其按一定方向有序排列，形成一定规则的磁畴；外部强磁场强制高温材料的磁化，从而抑制了原子的混乱振动，降低高温热电材料板温度，出现了居里温度效应的逆效应，即“磁消热效应”；磁化电流与自由电流的协同作用，pn节中的原子及电子在磁场中做往复运动，每一个振动循环都将提高一次电子的能级，当电子能级高到一定程度时，电子将脱离原子核的束缚向低能级环境运行，产生量子化跃迁效应，磁场中所有的原子电子的能级变化均以此类推，形成了电子的定向流动，产生热振动磁增电的量子化现象；涡旋磁力线中的粒子热振动将产生安培电流，而该电流在磁场的作用下又将产生与粒子热振动方向相反的电磁阻力，从而抑制了粒子热振动，形成热阻降温效果；磁化电流的表面效应，高温热电材料板周围的环形磁力线在高温热电材料板表面纵向上形成右手法则的磁化电流；
核磁共振及顺磁共振量子化能级跃迁效应；第一热电量子化能级跃迁效应、磁电霍尔附加电压效应、磁化电流的附加磁场作用、热振涡磁量子化能级跃迁的第四热电效应、核磁共振量子化能级跃迁效应、磁阻热增电高zt优值效应，把热磁能量转变成电子能级跃迁的量子化电流能量，完成了热磁量子发电机发电功能，发电电流通过电极板向外输电；通过热磁电共振量子化发电工况监测反馈与自动调节系统10、监测数据反馈中心管理与自动协同调节控制系统11，自动调节热振动频率、磁强度，优化热磁共振量子发电的直转效率。
[0025]
本发明热磁电量子化发电机理：1、电子能级与外磁波频的量子化作用机理是：所谓核磁共振为外加交变磁场的频率与核的磁能级差除以普朗克数h的比值相等时所发生的共振，可称为量子化核磁共振，可以用来测量原子核的磁能级。所谓顺磁共振：是外加交变磁场量子（磁频）乘以普朗克常数h与原子（电子）磁能级的能级差相一致时所发生的共振，可产生大量电子的量子化跃迁流动，可用来测量原子（电子）磁能级。
[0026]
2、光伏量子化效应是一种光量子激发转化为电子的量子化跃迁流动的实例。目前光伏量子化发电已广泛应用。
[0027]
3、热能微观振动的运动特征热的微观定义是粒子不规则高频振动的外在表现。热能是一种微观粒子以一定频率及振幅往复运动的机械振动能量，所以热是一种微观机械动能。
[0028]
在这里对粒子热振动提出两个新的问题：粒子自身振动能量（频率及振幅）的变化(增加或减少)是连续变化还是不连续的量子化。
[0029]
粒子热振动能量传递带动相邻粒子的振动能量不是连续传递而是量子化阶梯式能量传递。
[0030]
从材料固体晶格物理化学分析，晶格结构中每一个格点上的粒子受到周边粒子的化学键及物质与能量场约束力。
[0031]
当粒子受到外热力作用后，粒子动能增加，但由于晶格间的约束力，粒子振频及振幅在一定阈值内保持相对稳定，当粒子进一步吸收热能后，粒子急蓄内能超过晶格某个阈值约束力界限，则粒子振动能级跃迁增大一级。由此推测，粒子热振动的能级变化是不连续量子化的。
[0032]
找到的例证有：固体粒子热振动相变为液体粒子热振动，其粒子能级变化是跳跃式的量子化变化。同样，液态粒子热振动相变为气态粒子振动时，其粒子能级变化也是跳跃式的量子化变化。
[0033]
相邻粒子之间热振动的能量传递特征：由于粒子振动能级变化是不连续的量子化特征，那么在热能传导传递过程中热振动粒子把热振动能量传导传递给相邻粒子过程中也是有阈值界限不连续的量子化特征。即某粒子向邻近粒子传导传递热振动能量时，临近粒子在集蓄一定能量超过粒子所受晶格束缚力区间后，该粒子热振动能级才开始跃迁，产生了升温意义的热振动能级的提高。
[0034]
找到的例证有：固体一端被加热时，其温升总是滞后缓慢，但在相变为液体后，加热升温速度加快了。同样，高温端粒子热振动能量传导传递给低温端粒子时，此低温粒子热振动能级的提高也是相对滞后缓慢的。按理说粒子的热振频率很高，粒子间的动能传播速度应该瞬间完成，但实际上固体的热传导速度是非常慢的。
[0035]
4、磁场漩涡特征的利用电场是位势场。电场强度在空间中任一个环积分恒等于零。但是磁场不是位势场，而是旋涡场，磁场强度的环积分不是零而是有增量，按安培环路定律，其增量等于环形圆面法向的电流值。所以，在热电材料棒的周围设置有环（弧）形磁场时，材料棒中的电子将受到“右手法则方向的驱动力，而形成“右手法则”方向的电流。
[0036]
5、磁化电流效应由于磁化电流总是环绕着磁力线，当热电材料棒周向设置有环（弧）形磁场时，磁化电流将富集在材料棒表面，也可称为表面磁电趋肤效应。磁化电流也符合右手法则。电流的附加磁场作用与材料中自由电流对应磁场的作用不完全相同，会出现磁滞现象，即磁感应强度b与磁场强度h不再是线性关系。这与铁磁材料的磁化历程有关。
[0037]
由上述分析可知，有两个可利用的主要特征。
[0038]
1、量子化条件粒子热振动频谱的量子化现象。
[0039]
磁频波场物质与能量传递的量子化现象。
[0040]
电子轨道能级、电子磁矩（电子轨道磁矩及电子自旋磁矩）、原子能级、原子磁矩等变化都是量子化的。
[0041]
热磁电相互作用的变化也是量子化的。
[0042]
如：热电直转时，热能使电子能级量子化跃迁流动；热电直转时，磁电作用使电子能级量子化跃迁流动；热磁互阻互消的居里温度现象也是粒子热振动与原子（电子及原子核）磁矩能级量子化作用，而形成的热消磁与磁消热现象。
[0043]
2、共振条件粒子热振动频率与粒子晶格固有频率相等时的能量爆发共振现象。
[0044]
外磁场频率乘以普朗克常数h与原子核磁能级差值相等时，可发生核磁共振。
[0045]
粒子热振动增加了原子电荷（正电荷与负电荷）的运动动能，从而进一步增大了核磁共振能量或（电子）顺磁共振能量。
[0046]
由此看出，利用上述热磁量子化条件及共振条件，使得热磁电相互作用能量转化，原子电荷（正电荷与负电荷）能级大量跃迁流动，形成电流，实现了热磁电高效发电效果。也可成为“第四热电效应”。从而得到大功率高效率的“热磁量子发电机”。（seeback第一热电效应，peltier第二热电效应及thomsom第三热电效应）。
[0047]
实施例：
1、热源热量产生与收集。
[0048]
2、热量经换热器再通过热流调节控制器。
[0049]
3、热流调节器把热量按设计要求传递给pn结材料吸热板。
[0050]
4、热量流入pn结构p型热电材料及n型热电材料。
[0051]
5、在热磁电系统稳定之前，磁的阻热降温效果还没有稳定，可开启低温端的辅助冷却系统，使pn结两端快速形成温差。
[0052]
6、在seeback第一热电效应下，pn结中p型材料内正电荷空穴及n型材料中的电子能级，在温差驱动下均发生能级跃迁，产生出seebeck效应下的量子化自由电荷移动。
[0053]
7、同时开启外加强（变频）磁场,并按设计要求确定初始磁（变频率）强度。
[0054]
8、外加磁场与热电seeback效应电流作用可产生霍尔附加的电压。
[0055]
9、磁化电流与自由电流的协同作用。
[0056]
10、粒子热振动带动电子在漩涡特征的磁场中往复循环，电子能量不断增加，产生大量电子能级量子化跃迁，形成第四热（磁）电效应。
[0057]
11、核磁共振及顺磁共振量子化能级跃迁效应。
[0058]
12、热消磁及磁阻热降温的“居里温度”效应。
[0059]
解决了提高zt优值最大的矛盾障碍，既高导电低导热材料特征。
[0060]
13、以上的6种热磁电效应：第一热电量子化能级跃迁效应，磁电霍尔附加电压效应，磁化电流的附加磁场作用，热振涡磁量子化能级跃迁的第四热电效应，核磁（顺磁）共振量子化能级跃迁效应，“磁阻热增电”提高zt优值的“居里温度”效应的逆效应。
[0061]
所有效应均可合并成一类效应，即把热磁能量量子化转变成电子能级跃迁的电流能量，完成了“热磁量子发电机”功能。
[0062]
14、通过多种宏观与微观在线监测系统，自动调节热振动频率、磁（变频率）强度等多种参数，优化热磁共振量子发电的直转效率。