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CN120546411A - 闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统 - Google Patents

闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统

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CN120546411A
CN120546411A CN202410207693.5A CN202410207693A CN120546411A CN 120546411 A CN120546411 A CN 120546411A CN 202410207693 A CN202410207693 A CN 202410207693A CN 120546411 A CN120546411 A CN 120546411A
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CN
China
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liquid metal
expansion
compressor
piston
expander
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Application number
CN202410207693.5A
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朱顺敏
王本磊
罗二仓
余国瑶
吴张华
杨睿
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Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Original Assignee
Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
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Abstract

本发明涉及发电技术领域，提供一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，该系统包括自由活塞发动机和液态金属磁流体发电机，自由活塞发动机包括膨胀机组和压缩机组，液态金属磁流体发电机包括液态金属磁流体部件，液态金属磁流体部件的液态金属两侧分别与膨胀机组和压缩机组连接，在膨胀机组和压缩机组的作用下，液态金属往复流动。本发明在膨胀机组和压缩机组的作用下，能够使液态金属磁流体部件的液态金属往复流动进行发电，液态金属磁流体发电机作为电力产生机构，具有能量转化效率高的特点，并且采用闭式循环自由活塞发动机驱动液态金属磁流体发电机，能够利用聚光太阳能、核热能等清洁能源。

Description

闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统
技术领域
本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统。
背景技术
自由活塞发电系统将直线发电机动子与活塞直接耦合，形成一个统一的整体，通过活塞的直线往复运动带动发电机动子切割磁感线产生电能。但传统的自由活塞发动机为开式循环，需要以汽油或柴油等化石能源为燃料，无法利用清洁能源。闭式循环的自由活塞发动机采用外部加热器取代燃烧室，具有外燃机的特性，既可以利用清洁能源作为热源，又可以采用氦气等高性能气体工质，是一种极具优势的新型动力装置。
液态金属磁流体发电机是利用液态金属磁流体与磁场之间的相互作用，把磁流体的机械能转换为电能的机电转换装置。由于该发电技术的能量转换过程中无需机械运动部件，能量转化效率较高，因此在波浪能发电、空间能源转换等领域有广泛的应用。根据电流引出方式的不同，液态金属磁流体发电机可以分为传导式和感应式两种。感应式液态金属磁流体发电机的电流由绕于工质通道外部的感应线圈引出，输出电流电压大小可由线圈匝数控制，但结构复杂，且只适用于交流发电情况。传导式液态金属磁流体发电机电流由工质通道两侧的电极引出，输出电流大而电压小，一般需要额外的变压器才能满足应用需求。但传导式结构简单，且既可以用于交流发电，也可以用于直流发电。
现有技术中，将液态金属磁流体发电机和热声发动机相结合构成一种完全无机械运动部件的热电转换装置，该发电装置结合了热声发动机和液态金属磁流体发电机的优势。例如专利CN106533119A提出了一种两级回路行波热声发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，该发电系统采用两个热声转换单元首尾相接，构成行波回路，两台液态金属磁流体发电机设于行波回路上。但由于热声系统受限于结构，工作频率通常在20Hz以上，而液态金属磁流体发电机在低频时(小于10Hz)机电转换效率更高。因此，热声转换单元和液态金属磁流体发电机之间频率匹配困难，导致发电系统无法达到最佳工作性能，从而能量转化率低。
发明内容
本发明提供一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，用以解决现有技术中能量转化率低的缺陷，同时能够利用聚光太阳能、核热能等清洁能源。
本发明提供一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，包括：
自由活塞发动机，包括膨胀机组和压缩机组；
液态金属磁流体发电机，所述液态金属磁流体发电机、所述膨胀机组和所述压缩机组形成发电系统，所述液态金属磁流体发电机包括液态金属磁流体部件，所述液态金属磁流体部件的液态金属两侧分别与所述膨胀机组和所述压缩机组连接，在所述膨胀机组和所述压缩机组的作用下，所述液态金属往复流动。
根据本发明实施例提供的一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，所述膨胀机组和所述压缩机组之间分别连接有冷却组件和加热组件，所述膨胀机组、所述压缩机组、所述冷却组件和所述加热组件形成循环回路。
根据本发明实施例提供的一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，所述液态金属磁流体部件包括液态金属通道，所述液态金属通道内依次布置有第一密封活塞、所述液态金属和第二密封活塞，所述第一密封活塞连接于所述膨胀机组，所述第二密封活塞连接于所述压缩机组。
根据本发明实施例提供的一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，所述膨胀机组包括第一膨胀机，所述第一膨胀机内布置有连接所述第一密封活塞的第一膨胀活塞；
所述压缩机组包括第一压缩机，所述第一压缩机内布置有连接所述第二密封活塞的第一压缩活塞；
所述冷却组件包括设置于所述第一膨胀机和所述第一压缩机之间的第一冷却器；
所述加热组件包括设置于所述第一膨胀机和所述第一压缩机之间的第一加热器。
根据本发明实施例提供的一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，所述第一膨胀机包括第一膨胀机体和设置于所述第一膨胀机体内的所述第一膨胀机活塞，所述第一膨胀机活塞将所述第一膨胀机体内部分为第一膨胀气腔和第二膨胀气腔；
所述第一膨胀气腔设置有与所述第一冷却器连通的第一膨胀排气阀、以及与所述第一加热器连通的第一膨胀进气阀；
所述第二膨胀气腔设置有与所述第一冷却器连通的第二膨胀排气阀、以及与所述第一加热器连通的第二膨胀进气阀。
根据本发明实施例提供的一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，还包括控制器，所述控制器与所述第一膨胀排气阀、所述第一膨胀进气阀、所述第二膨胀排气阀和所述第二膨胀进气阀分别电连接。
根据本发明实施例提供的一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，所述膨胀机组包括第二膨胀机和第三膨胀机，所述压缩机组包括第二压缩机和第三压缩机；
所述液态金属磁流体发电机包括两个液态金属磁流体部件，其中一个所述液态金属磁流体部件连接于所述第二膨胀机和所述第二压缩机之间，另一个所述液态金属磁流体部件连接于所述第三膨胀机和所述第三压缩机之间，所述两个液态金属磁流体部件的液态金属的流动方向相反。
根据本发明实施例提供的一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，所述第二膨胀机内布置有第二膨胀活塞，所述第三膨胀机内布置有第三膨胀活塞；
所述第二压缩机内布置第二压缩活塞，所述第三压缩机内布置第三压缩活塞；
其中一个所述液态金属磁流体部件的第一密封活塞连接于所述第二膨胀活塞，且第二密封活塞连接于所述第二压缩活塞；另一个所述液态金属磁流体部件的第一密封活塞连接于所述第三膨胀活塞，且第二密封活塞连接于所述第三压缩活塞；
所述冷却组件包括设置于所述第二膨胀机和所述第三压缩机之间的第二冷却器、以及设置于所述第二压缩机和所述第三膨胀机之间的第三冷却器；
所述加热组件包括设置于所述第二膨胀机和所述第二压缩机之间的第二加热器、以及设置于所述第三膨胀机和所述第三压缩机之间的第三加热器。
根据本发明实施例提供的一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，所述第二膨胀机、所述第二冷却器、第三压缩机、第三加热器、第三膨胀机、第三冷却器、第二压缩机和第二加热器依次连接形成循环回路。
根据本发明实施例提供的一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，所述液态金属磁流体发电机还包括设置于所述液态金属磁流体部件两侧的永磁体。
本发明实施例提供的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，通过液态金属磁流体发电机的液态金属磁流体部件布置于膨胀机组和压缩机组之间，在膨胀机组和压缩机组的作用下，能够使液态金属磁流体部件的液态金属往复流动进行发电，从而液态金属磁流体发电机作为电力产生机构，能够实现高效的热电转换，并且采用闭式循环自由活塞发动机驱动液态金属磁流体发电机，能够利用聚光太阳能、核热能等清洁能源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统的结构示意图之一；
图2是本发明实施例提供的另一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统的结构示意图之二。
附图标记：
1、第一膨胀机；11、第一膨胀气腔；12、第二膨胀气腔；13、第一膨胀活塞；14、第一膨胀进气阀；15、第二膨胀进气阀；16、第二膨胀排气阀；17、第一膨胀排气阀；
2、第一压缩机；21、第一压缩气腔；22、第二压缩气腔；23、第一压缩活塞；24、第一压缩排气阀；25、第二压缩排气阀；26、第二压缩进气阀；27、第一压缩进气阀；
3、第一加热器；4、第一冷却器；
5、永磁体；6、液态金属磁流体部件；61、液态金属通道；62、液态金属；63、第一密封活塞；64、第二密封活塞；601、第一液态金属磁流体部件；602、第二液态金属磁流体部件；
7、第二膨胀机；71、第二膨胀机的第一膨胀气腔；72、第二膨胀机的第二膨胀气腔；73、第二膨胀活塞；
8、第三膨胀机；81、第三膨胀机的第一膨胀气腔；82、第三膨胀机的第二膨胀气腔；83、第三膨胀活塞；
9、第二压缩机；91、第二压缩机的第一压缩气腔；92、第二压缩机的第二压缩气腔；93、第二压缩活塞；
10、第三压缩机；101、第三压缩机的第一压缩气腔；102、第三压缩机的第二压缩气腔；103、第三压缩活塞；
3a、第二加热器；4a、第二冷却器；
3b、第三加热器；4b、第三冷却器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本发明的实施例提出一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，图1示例了本发明实施例提供的一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统的结构示意图，如图1所示，该发电系统包括自由活塞发动机和液态金属磁流体发电机。
其中，自由活塞发动机包括膨胀机组和压缩机组；液态金属磁流体发电机、膨胀机组和压缩机组形成发电系统；液态金属磁流体发电机包括液态金属磁流体部件6，液态金属磁流体部件6的液态金属62两侧分别与膨胀机组和压缩机组连接，在膨胀机组和压缩机组的作用下，液态金属磁流体部件6的液态金属62往复流动。
可以理解的是，自由活塞发动机与传统的曲轴式发动机和旋转发电机组成的内燃发电动力系统相比，具有结构简单，能量传递的路径缩短，能量转换效率高的优点。基于此，本实施例自由活塞发动机具有膨胀机组和压缩机组，并将液态金属磁流体部件6设置于膨胀机组和压缩机组之间，液态金属磁流体部件6的液态金属62两侧分别与膨胀机组的活塞和压缩机组的活塞连接，通过膨胀机组的活塞和压缩机组的活塞直线往复运动，进而带动液态金属62往复流动，液态金属62往复流动过程中切割磁感线产生电能。
本发明实施例提供的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，通过液态金属磁流体发电机的液态金属磁流体部件6布置于膨胀机组和压缩机组之间，在膨胀机组和压缩机组的作用下，能够使液态金属磁流体部件6的液态金属62往复流动进行发电，从而液态金属磁流体发电机作为电力产生机构，液态金属62构成液体活塞，能够实现高效的热电转换，并且具有闭式循环自由活塞发动机的优点，能够利用聚光太阳能、核热能等清洁能源。
需要说明的是，本发明实施例提供的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，结合了自由活塞发动机和液态金属磁流体发电机的优点，具有结构简单、使用寿命长、能量传递路径短以及能量转化率高的优点，因此有望成为一种高效、高可靠并且可利用可再生能源的新型发电装置。
在本发明的一个实施例中，膨胀机组和压缩机组之间分别连接有冷却组件和加热组件，膨胀机组、压缩机组、冷却组件和加热组件形成循环回路。
可以理解的是，气体工质经冷却组件冷却后进入压缩机组内，在压缩机组中被压缩，压缩后的气体工质进入加热组件中被加热，被加热后的高温高压气体工质进入膨胀机组中膨胀做功，使膨胀机组中的活塞运动，并在活塞的带动下，使液态金属磁流体部件6中的液态金属62运动产生电能。
需要说明的是，现有自由活塞发动机采用内燃机形式，主要以空气为工质，以化石燃料燃烧为热源，不适合利用核热能、聚光太阳能、生物质燃烧热等清洁能源。相比传统自由活塞内燃发电机采用开式循环并以化石燃料为热源，本发明实施例闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，采用置于膨胀机组和压缩机组外部的加热组件取代燃烧室，具有外燃机的特性，能够利用聚光太阳能、生物质燃烧热等清洁能源作为热源，提高了发电机的能源适应性。
需要说明的是，现有自由活塞发动机采用开式循环，而开式循环的气体工质只能采用空气。而本实施例膨胀机组、压缩机组、冷却组件和加热组件形成闭式循环，从而本实施例发电系统的气体工质可以采用氦气、二氧化碳等换热性能更高的气体工质，有效提高系统的发电效率。
这里需要说明的是，本实施例气体工质也可以采用空气，还可以采用空气、氦气、二氧化碳等一种工质或多种工质混合的混合工质。
在本发明的一个实施例中，液态金属磁流体发电机将机械能转换为电能输出，液态金属磁流体部件6包括液态金属通道61，液态金属通道61内依次布置有第一密封活塞63、液态金属62和第二密封活塞64，第一密封活塞63连接于膨胀机组，第二密封活塞64连接于压缩机组。
可以理解的是，液态金属磁流体部件6包括液态金属通道61、第一密封活塞63、液态金属62和第二密封活塞64，第一密封活塞63和第二密封活塞64间隔密封设置于液态金属通道61，从而在第一密封活塞63、第二密封活塞64和液态金属通道61之间形成封闭空间，将液态金属62充满该封闭空间，第一密封活塞63和第二密封活塞64能够保证液态金属62的密封和液面稳定，第一密封活塞63和第二密封活塞64能够在液态金属通道61内运动，从而带动液态金属62在液态金属通道61内流动。
其中，第一密封活塞63连接于膨胀机组的活塞，第二密封活塞64连接于压缩机组的活塞。
本发明实施例中，液态金属磁流体部件6包括设置于液态金属通道61外部的永磁体5，以使在液态金属通道61内部形成磁场。优选的，在液态金属通道61的两侧设置永磁体5，从而在液态金属通道61内形成较为均匀的垂直分布磁场。
示例的，如图1所示，液态金属通道61内的液态金属62流动方向为左右，则在液态金属通道61的上下两侧分别设置永磁体5。进一步的，液态金属通道61的前后两侧有电极板和接线端子，以将液态金属磁流体部件6产生的电流输出至外部变压器，由外部变压器调节后输出至外电路。
进一步的，液态金属62可以为液态钠或液态钠钾合金或汞或镓铟锡合金等液态金属。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，膨胀机组包括第一膨胀机1，压缩机组包括第一压缩机2，液态金属磁流体发电机包括一个液态金属磁流体部件6，该液态金属磁流体部件6连接于第一膨胀机1和第一压缩机2之间。
其中，第一膨胀机1内布置第一膨胀活塞13，第一膨胀活塞13通过连杆与第一密封活塞63连接；第一压缩机2内布置有第一压缩活塞23，第一压缩活塞23通过连杆与第二密封活塞64连接。
第一膨胀机1和第一压缩机2之间设置有第一冷却器4，第一膨胀机1和第一压缩机2之间还设置有第一加热器3，第一膨胀机1、第一冷却器4、第一压缩机2和第一加热器3依次连接形成循环回路。
本实施例中，第一加热器3可采用核热能、聚光太阳能、生物质燃烧热等清洁能源作为热源。
可以理解的是，气体工质经第一冷却器4被冷却后进入第一压缩机2中，在第一压缩机2中被压缩，压缩后的气体工质通过第一加热器3中被加热，随后被加热的高温高压气体工质进入第一膨胀机1中膨胀做功，推动第一膨胀的活塞运动，由于第一膨胀活塞13和第一密封活塞63通过连杆刚性连接，则第一密封活塞63同步运动，使得液态金属62运动并切割磁感线产生电能，同时第二密封活塞64和第一压缩活塞23同步运动。
在本发明的一个实施例中，第一膨胀机1包括第一膨胀机体和设置于第一膨胀机体内的第一膨胀活塞13，第一膨胀活塞13将第一膨胀机体内部分为第一膨胀气腔11和第二膨胀气腔12，第二膨胀气腔12靠近第一压缩机2布置。
第一膨胀机体设置有与第一膨胀气腔11连通的第一膨胀排气阀17和第一膨胀进气阀14，以及与第二膨胀气腔12连通的第二膨胀排气阀16和第二膨胀进气阀15；其中，第一膨胀进气阀14和第二膨胀进气阀15与第一加热器3的热端管路一端相连，第一膨胀排气阀17和第二膨胀排气阀16与第一冷却器4的冷端管路一端相连。
根据本发明实施例，第一压缩机2与第一膨胀机1结构相同。示例的，第一压缩机2包括第一压缩机体和设置于第一压缩机体内的第一压缩活塞23，第一压缩活塞23将第一压缩机体内部分为第一压缩气腔21和第二压缩气腔22，第二压缩气腔22和第二膨胀气腔12相邻布置。
第一压缩机体设置有与第一压缩气腔21连通的第一压缩排气阀24和第一压缩进气阀27，以及与第二压缩气腔22连通的第二压缩排气阀25和第二压缩进气阀26；其中，第一压缩进气阀27和第二压缩进气阀26与第一冷却器4的冷端管路另一端相连，第一压缩排气阀24和第二压缩排气阀25与第一加热器3的热端管路另一端相连。
下面具体说明本实施例提供的一种自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系的工作过程：
气体工质经第一冷却器4被冷却后通过第一压缩进气阀27进入第一压缩气腔21中，在第一压缩气腔21中被压缩；压缩后的气体工质通过第一压缩排气阀24进入第一加热器3中被加热，随后经加热的高温高压气体工质通过第二膨胀进气阀15进入第二膨胀气腔12中膨胀做功，推动第一膨胀活塞13向左运动，第一膨胀排气阀17打开。
由于第一膨胀活塞13与第一密封活塞63通过连杆刚性连接，第一密封活塞63向左运动，使得液态金属62向左运动并切割磁感线产生电能，同时带动第二密封活塞64与第一压缩活塞23向左运动，压缩第二压缩气腔22中的气体工质。
当第二压缩气腔22中的气体工质到达一定的压力后，第二压缩排气阀25打开，打开第一膨胀进气阀14和第二膨胀排气阀16，关闭第二膨胀进气阀15和第一膨胀排气阀17，压缩后的气体工质通过第二压缩排气阀25、第一加热器3被加热后，并经第一膨胀进气阀14进入第一膨胀气腔11中，推动第一膨胀活塞13向右运动。此时，第二膨胀气腔12中膨胀做功后的气体工质通过第二膨胀排气阀16进入第一冷却器4中冷却，为下一次进入第一压缩气腔21做准备，同时，液态金属62也向右运动，一方面切割磁感线产生电能，另一方面推动第一压缩活塞23运动，在推动第一压缩活塞23运动过程中，第二压缩进气阀26和第一压缩排气阀24打开，第一压缩气腔21中的气体工质为下一次加热做功做准备。由此便完成了一个完整的发电过程。
在这一发电过程中，第一膨胀机1的两个气缸(第一膨胀气腔11和第二膨胀气腔12)内交替完成膨胀做功，第一压缩机2的两个气缸(第一压缩气腔21和第二压缩气腔22)交替完成压缩过程，同步的，液态金属62往复运动一次，切割磁感线产生的电流输出至外部变压器，由外部变压器调节后输出至外电路。
在本发明的一个实施例中，还包括控制器，控制器与第一膨胀机1的气阀电连接，用于控制气阀的启闭时间，通过控制气阀的启闭时间，以达到控制液态金属62运动频率的目的，进而可以对发电系统的输出频率进行调控，并通过第一膨胀机1与第一压缩机2的相互配合，能够实现热能向电能的持续稳定转换。
示例的，控制器与第一膨胀排气阀17、第一膨胀进气阀14、第二膨胀排气阀16和第二膨胀进气阀15分别电连接。
进一步的，控制器还与第一压缩机2的气阀电连接，用于控制气阀的启闭时间，通过控制气阀的启闭时间，以达到控制液态金属62运动频率的目的，进而可以对发电系统的输出频率进行调控。
本发明实施例提供的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，通过控制器控制第一膨胀机1的气阀启闭时间和第一压缩机2的气阀启闭时间，能够实现自由活塞发动机和液态金属磁流体发电机之间良好的频率匹配，使液态金属磁流体发电机工作在最佳发电性能。
在本发明的另一个实施例中，膨胀机组包括两个膨胀机，压缩机组包括两个压缩机，液态金属磁流体发电机包括设置于两个永磁体5之间的两个液态金属磁流体部件6，其中一个液态金属磁流体部件6连接于其中一个膨胀机和其中一个压缩机之间，另一个液态金属磁流体部件6连接于另一个膨胀机和另一个压缩机之间，两个液态金属磁流体部件6的液态金属62的流动方向相反。
在本发明实施例中，如图2所示，两个膨胀机分别为第二膨胀机7和第三膨胀机8，两个压缩机分别为第二压缩机9和第三压缩机10；两个液态金属磁流体部件6分别为第一液态金属磁流体部件601和第二液态金属磁流体部件602，其中，第一液态金属磁流体部件601设置于第二膨胀机7和第二压缩机9，第二液态金属磁流体部件602设置于第三膨胀机8和第三压缩机10之间，且两个液态金属磁流体部件6的液态金属的流动方向相反。
示例的，第二膨胀机7内布置有第二膨胀活塞73，第二膨胀活塞73将第二膨胀机7内部分为第二膨胀机的第一膨胀气腔71和第二膨胀机的第二膨胀气腔72，第二压缩机9内布置第二压缩活塞93，第二压缩活塞93将第二压缩机9内部分为第二压缩机的第一压缩气腔91和第二压缩机的第二压缩气腔92，且第二膨胀机的第二膨胀气腔72和第二压缩机的第二压缩气腔92相邻布置，第一液态金属磁流体部件601的第一密封活塞连接于第二膨胀活塞73，第一液态金属磁流体部件601的第二密封活塞连接于第二压缩活塞93。
第三膨胀机8内布置有第三膨胀活塞83，第三膨胀活塞83将第三膨胀机8内部分为第三膨胀机的第一膨胀气腔81和第三膨胀机的第二膨胀气腔82，第三压缩机10内布置第三压缩活塞103，第三压缩活塞103将第三压缩机10内部分为第三压缩机的第一压缩气腔101和第三压缩机的第二压缩气腔102，且第三膨胀机的第二膨胀气腔82和第三压缩机的第二压缩气腔102相邻布置，第二液态金属磁流体部件602的第一密封活塞连接于第三膨胀活塞83，第二液态金属磁流体部件602的第二密封活塞连接于第三压缩活塞103。
冷却组件包括设置于第二膨胀机7和第三压缩机10之间的第二冷却器4a、以及设置于第二压缩机9和第三膨胀机8之间的第三冷却器4b。第二膨胀机7的两个排气阀与第二冷却器4a的冷端管路一端相连，第三压缩机10的两个进气阀与第二冷却器4a的冷端管路另一端相连；第二压缩机9的两个进气阀与第三冷却器4b的冷端管路一端相连，第三膨胀机8的两个排气阀与第三冷却器4b的冷端管路另一端相连。
加热组件包括设置于第二膨胀机7和第二压缩机9之间的第二加热器3a、以及设置于第三膨胀机8和第三压缩机10之间的第三加热器3b。具体的，第二膨胀机7的两个进气阀与第二加热器3a的热端管路的一端相连，第二压缩机9的两个排气阀与第二加热器3a的热端管路的另一端相连；第三膨胀机8的两个进气阀与第三加热器3b的热端管路的一端相连，第三压缩机10的两个排气阀与第三加热器3b的热端管路的另一端相连。
第二膨胀机7、第二冷却器4a、第三压缩机10、第三加热器3b、第三膨胀机8、第三冷却器4b、第二压缩机9和第二加热器3a依次连接形成循环回路。
这里需要说明的是，第二膨胀机7和第三膨胀机8与第一膨胀机1的结构相同，第二压缩机9和第三压缩机10与第一压缩机2的结构，从而第二膨胀机7和第二压缩机9以及第一液态金属磁流体部件601之间形成一个发电单元；第三膨胀机8和第三压缩机10以及第二液态金属磁流体部件602之间也能形成一个发电单元。
第二加热器3a和第三加热器3b与第一加热器3的结构相同，可以采用核热能、聚光太阳能、生物质燃烧热等清洁能源作为热源。
可以理解的是，气体工质在第二压缩机的第一压缩气腔91中被压缩，经过第二加热器3a加热后进入第二膨胀机的第二膨胀气腔72中膨胀做功，推动第二膨胀活塞73向左运动，同时第一液态金属磁流体部件601的液态金属向左运动切割磁感线产生电能，同时带动第二压缩机9的第二压缩活塞93向左运动，压缩第二压缩机的第二压缩气腔92气缸内的气体。与这一过程同时，直线第三膨胀机的第二膨胀气腔82内发生膨胀过程，第二液态金属磁流体部件602的液态金属向右运动切割磁感线产生电能，同时带动第三压缩机10内的第三压缩活塞103向右运动，第三压缩机的第二压缩气腔102中的气体工质。
之后，同样的，第二膨胀机的第一膨胀气腔71中发生膨胀过程，第一液态金属磁流体部件601的液态金属向右运动，直线第二压缩机的第一压缩气腔91内气体被压缩；第三膨胀机的第一膨胀气腔81内发生膨胀过程，第二液态金属磁流体部件602的液态金属向左运动，第三压缩机的第一压缩气腔101中的气体被压缩。
由此便完成了一个完整的工作过程。在这一过程中，第一液态金属磁流体部件601的液态金属和第二液态金属磁流体部件602的液态金属的往复运动方向相反，产生相反的感应电流被输入到外电路。
这里需要说明的是，第二膨胀机7和第二压缩机9之间设置有第二加热器3a，第二加热器3a和第一加热器3的结构与作用均相同，气体工质经第三冷却器4b冷却后进入第二压缩机9，第三冷却器4b和第一冷却器4的结构与作用均相同，第二膨胀机7膨胀做功后的气体工质进入第二冷却器4a，第二冷却器4a与第一冷却器4结构的结构与作用均相同。因此，第二膨胀机7和第二压缩机9之间的发电过程(工作过程)与第一膨胀机1和第一压缩机2之间的发电过程实质相同。同样的，第三膨胀机8和第三压缩机10之间的发电过程与第一膨胀机1和第一压缩机2之间的发电过程实质相同。
这里需要说明的是，由于液态金属的往复运动方向相反，使得电流方向相反，所激发的感生磁场相互抵消，可以有效抑制液态金属磁流体发电机内部电感，有利于减小发电机负载电压与负载电流的相位差，提高发电效率。同时，由于整个系统左右两侧同时都有膨胀做功过程，产生的推力相互抑制，能够减小系统的振动。
本发明实施例提供的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，自由活塞发动机采用对置闭式循环自由活塞发动机，从而通过对置闭式循环自由活塞发动机驱动液态金属磁流体发电，并通过交替膨胀做功(第二膨胀机的第一膨胀气腔71和第三膨胀机的第一膨胀气腔81同时膨胀做功，第二膨胀机的第二膨胀气腔72和第三膨胀机的第二膨胀气腔82同时膨胀做功同时膨胀做功)，使得第一液态金属磁流体部件601的液态金属和第二液态金属磁流体部件602的液态金属的往复流动方向相反，有利于抵消电流激发的感生磁场，抑制液态金属磁流体发电机内部电感，有效提高液态金属磁流体发电机发电效率，同时，这种交替做功的方式有利于减小系统的振动，保证系统平稳运行。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，包括：
自由活塞发动机，包括膨胀机组和压缩机组；
液态金属磁流体发电机，所述液态金属磁流体发电机、所述膨胀机组和所述压缩机组形成发电系统，所述液态金属磁流体发电机包括液态金属磁流体部件，所述液态金属磁流体部件的液态金属两侧分别与所述膨胀机组和所述压缩机组连接，在所述膨胀机组和所述压缩机组的作用下，所述液态金属往复流动。
2.根据权利要求1所述的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述膨胀机组和所述压缩机组之间分别连接有冷却组件和加热组件，所述膨胀机组、所述压缩机组、所述冷却组件和所述加热组件形成循环回路。
3.根据权利要求2所述的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述液态金属磁流体部件包括液态金属通道，所述液态金属通道内依次布置有第一密封活塞、所述液态金属和第二密封活塞，所述第一密封活塞连接于所述膨胀机组，所述第二密封活塞连接于所述压缩机组。
4.根据权利要求3所述的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述膨胀机组包括第一膨胀机，所述第一膨胀机内布置有连接所述第一密封活塞的第一膨胀活塞；
所述压缩机组包括第一压缩机，所述第一压缩机内布置有连接所述第二密封活塞的第一压缩活塞；
所述冷却组件包括设置于所述第一膨胀机和所述第一压缩机之间的第一冷却器；
所述加热组件包括设置于所述第一膨胀机和所述第一压缩机之间的第一加热器。
5.根据权利要求4所述的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述第一膨胀机包括第一膨胀机体和设置于所述第一膨胀机体内的所述第一膨胀活塞，所述第一膨胀活塞将所述第一膨胀机体内部分为第一膨胀气腔和第二膨胀气腔；
所述第一膨胀气腔设置有与所述第一冷却器连通的第一膨胀排气阀、以及与所述第一加热器连通的第一膨胀进气阀；
所述第二膨胀气腔设置有与所述第一冷却器连通的第二膨胀排气阀、以及与所述第一加热器连通的第二膨胀进气阀。
6.根据权利要求5所述的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述第一膨胀排气阀、所述第一膨胀进气阀、所述第二膨胀排气阀和所述第二膨胀进气阀分别电连接。
7.根据权利要求3所述的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述膨胀机组包括第二膨胀机和第三膨胀机，所述压缩机组包括第二压缩机和第三压缩机；
所述液态金属磁流体发电机包括两个液态金属磁流体部件，其中一个所述液态金属磁流体部件连接于所述第二膨胀机和所述第二压缩机之间，另一个所述液态金属磁流体部件连接于所述第三膨胀机和所述第三压缩机之间，所述两个液态金属磁流体部件的液态金属的流动方向相反。
8.根据权利要求7所述的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述第二膨胀机内布置有第二膨胀活塞，所述第三膨胀机内布置有第三膨胀活塞；
所述第二压缩机内布置第二压缩活塞，所述第三压缩机内布置第三压缩活塞；
其中一个所述液态金属磁流体部件的第一密封活塞连接于所述第二膨胀活塞，且第二密封活塞连接于所述第二压缩活塞；另一个所述液态金属磁流体部件的第一密封活塞连接于所述第三膨胀活塞，且第二密封活塞连接于所述第三压缩活塞；
所述冷却组件包括设置于所述第二膨胀机和所述第三压缩机之间的第二冷却器、以及设置于所述第二压缩机和所述第三膨胀机之间的第三冷却器；
所述加热组件包括设置于所述第二膨胀机和所述第二压缩机之间的第二加热器、以及设置于所述第三膨胀机和所述第三压缩机之间的第三加热器。
9.根据权利要求8所述的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述第二膨胀机、所述第二冷却器、第三压缩机、第三加热器、第三膨胀机、第三冷却器、第二压缩机和第二加热器依次连接形成循环回路。
10.根据权利要求1至9任一项所述的闭式循环自由活塞发动机驱动的液态金属磁流体发电系统，其特征在于，所述液态金属磁流体发电机还包括设置于所述液态金属磁流体部件两侧的永磁体。
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