北科大《Nature Communications》：新型磁热开关控制的高性能热磁发电装置

能源问题一直是世界各国关注的焦点问题，提高能源利用率是解决二十一世纪能源紧缺的重要途径。全球总消耗能源中约50%最终转化为余热，比所有可再生能源的总和还多，如何有效利用余热能源是全球科学家关注的热点问题。尤其是，低于100℃的低温余热约占余热总量的65%，但由于缺乏有效的低温余热回收技术，造成大量的能源浪费和环境污染，已成为该研究领域的世界性难题和挑战。近年来，新型热磁发电技术成为低温余热回收研究的新热点，研发核心热磁发电材料，并设计高效的低温余热回收发电装置，对我国推进实现碳达峰碳中和的“双碳”目标起着关键作用。

北京科技大学材料科学与工程学院张虎教授团队设计了一种用于低温余热回收的新型热磁发电机(TMG)。该装置巧妙的利用磁热材料作为小型磁路开关。这种设计不仅实现了磁路中磁通量的反转，而且具有更加简单的设计和更低的杂散磁场。从而有效提高了热磁发电装置的输出功率密度。最后，利用该TMG产生的电能成功地点亮了一个LED灯，有力地证明了其实用性。相关论文以题为“High-performance thermomagnetic generator controlled by a magnetocaloric switch”发表在Nature Communications。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40634-x

研究发现，磁路的拓扑结构并配合磁热开关可以使感应线圈中的磁通量在正、负最大值之间变化，与磁通量仅在零和最大值之间变化的传统TMG相比，输出功率提升了4倍。此外，通过模拟优化设计，详细研究了TMG结构参数对于磁路性能的影响。通过优化结构参数，有效减少了磁路中杂散场的产生从而使磁路的性能提升了562%。与同样具有磁通量反转的pretzel-like拓扑磁路结构相比，该TMG显示出更简单的设计和更低的杂散磁场。

图1 TMG的磁路结构及工作原理

图2 热磁发电装置中磁路的模拟结果 (a, b) 两种不同状态下磁路的磁感应强度B分布情况、(c-g) 磁热开关的尺寸以及线圈匝数对磁路性能的影响。

图3  (a-d) 磁路实物以及各个部件示意图、(e) TMG测试过程示意图、(f, g) TMG运行过程的红外图像、(h-m) TMG运行过程中的实测以及模拟数据。

图4  非结构参数对TMG性能的影响 (a) 冷端温度、(b) 热端温度、(c) 循环周期。

图5 TMG性能比较及应用潜力展示

基于优化后的磁路拓扑结构，本文搭建了TMG装置并测试了装置产生的感应电压。详细研究了TMG非结构参数对性能的影响。最后，通过与其他余热回收装置进行对比发现，该TMG产生的最大功率密度

PDmax不仅远高于文献中已经报道的热磁发电装置，而且也高于热电(TEG)以及热释电 (PEG)技术。特别是单位温度下的最大功率密度PDmax/ΔT比文献中的TMG高2~3个数量级。如此高的TMG性能证明了利用磁热开关进行磁路拓扑设计的有效性。此外，本研究也突出了TMG在低温余热回收中的应用潜力，并提出了一种TMG阵列来收集低温余热供电的潜在应用场景。

北京科技大学材料科学与工程学院硕士刘贤良为该论文的第一作者，张虎为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。

来源：材料科学与工程学院

转自：“北科科研”微信公众号

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