CN101718247A - 一种鱼形筏式液态金属磁流体波浪能直接发电装置 - Google Patents

Abstract

一种漂浮式、鱼形、筏式液态金属磁流体波浪能直接发电装置，该装置主要由以下几个部分组成，前浮子、后浮子、铰链、液态金属磁流体(LMMHD)发电机、系泊***等。该发电装置为漂浮式结构，可以按照要求布置在不同海域；采用鱼形、筏式的波浪能捕获装置，能较好的吸收波浪能，同时具有较强的抵御风浪能力；发电装置采用液态金属磁流体直接发电技术，中间转换环节少，提高了装置整体的转换效率。

Description

一种鱼形筏式液态金属磁流体波浪能直接发电装置

技术领域

本发明涉及一种液态金属磁流体波浪能直接发电装置，特别涉及采用鱼形、筏式波浪能捕获装置以及液态金属磁流体发电机的发电装置。

技术背景

有效利用巨大的海洋波浪能资源是人类几百年来的梦想。随着化石能源危机以及环境污染所导致温室效应的加剧，波浪能作为一种清洁、可再生能源，日益引起全球关注，而波浪能发电技术更是发展迅速。

波浪能捕获***和发电机是波浪能发电***必不可少的两部分，而波浪能捕获***与发电机的耦合程度，决定了波浪能发电***的整体效率。波浪能捕获***，即波浪能采集***，将波浪能转换成采集装置的机械能，常用的形式有振荡水柱式(OWC)、振荡浮子式(Buoy)、摆式(Pendulum)、鸭式(Duck)、筏式(Raft)、收缩坡道式(Tapchan)、蚌式(Clam)等。波浪能发电***可采用的发电机有旋转发电机、永磁直线发电机和磁流体发电机。波浪能以大作用力(数吨的力)，低速度(0.5~2m/s)的形式存在，因而，采用高速旋转发电机的传统波浪能发电***必须采用中间转换***，如空气叶轮、低水头水轮机、液压***、机械***等将波浪捕获***的机械能转换成与旋转发电机阻力特性相匹配的形式。而永磁直线发电机和磁流体发电机的阻力特性与波浪的运动特性相匹配，因而，可与波浪捕获***直接耦合，无须中间转换***，这种发电方式称为波浪能直接发电。可见，波浪能直接发电***结构简单，能量转换效率高。

收缩坡道式波浪能采集***主要是利用海水的水平运动，通过收缩水道将海水提升，引入高位水库，将海水的动能转化为势能。因而，采用收缩坡道式的波浪能发电装置一般都固定在岸边。浮子式波浪能采集***主要是利用波浪的垂直运动，如美国专利5136173公开的一种磁流体波浪能直接发电***就是采用浮子和垂直悬吊在深水中的MHD发电机，MHD发电机与浮在海面的浮子相联，其中MHD通道随着浮子的上下波动、相对深处稳定的海水作上下运动。中国专利200810116532.6公开的一种摇摆式液态金属磁流体波浪能发电浮管漂浮在海面上，随着波浪的起伏，一端位于波峰，另一端位于波谷，将波峰、波谷间的重力势能转换成MHD通道内液态金属的动能。中国专利200610144400.5公开的一种单管双通道液态金属磁流体波浪能直接发电单元装置利用波浪的重力势能驱动垂直浸没在海面以下的LMMHD发电机发电通道内的液态金属流动。

可见，目前常用的波浪捕获***存在主要问题：

收缩坡道式主要布置在海洋沿岸，对地形要求较高，另外收到潮位影响，只有部分时间能良好运行。

振荡水柱式波力装置目前国内外建设的大都是岸式结构，因为存在和收缩波道式同样的问题，受地形条件限制。该波力装置的优点是汽轮机不直接与海浪接触，提高了装置的寿命，主要问题是装置的总体效率不高，另外建造气室需要昂贵的费用。

在波浪能研究领域非常著名鸭式波力装置，其理论转化效率很高，但其抗风浪能力较差，目前已停止研究。因此耐受风浪的能力是一种波力装置最根本的要求，只有满足这一条，才能进一步考察效率等。

筏式波浪能技术是通过漂浮在水面上的、类似木筏的、端部铰接的若干浮体俘获波浪能，再通过液压***驱动发电机发电。

在目前国内外波力研究领域，最接近商业化的就是苏格兰OPD公司的一种叫“Pelamis”波力发电装置。它是世界上第一座商业示范运行的漂浮式波力电站。它属于筏式波浪能装置，具有较好的整体性，抗波浪冲击能力较强。

美国专利US 6476511 B1介绍了一种筏式波浪结构，采用液压和旋转发电机的转换方式。

中国专利200610144400.5和美国专利5136173公开的MHD波浪能直接发电***的MHD发电机浸没在海面以下，抗风浪性好，但不便于维护和安装。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明提出一种采用漂浮式、鱼形、筏式捕浪装置的液态金属磁流体(LMMHD)发电机的波浪能直接发电装置。

本发明漂浮式、鱼形、筏式捕浪装置的液态金属磁流体(LMMHD)发电机波浪能直接发电装置为漂浮式，易于布置，可以较好的利用相应海域的波浪能。

本发明发电装置采用类似鱼形的筏式结构的波浪能捕获装置。筏式波浪能技术是通过漂浮在海面上的、类似木筏的、端部铰接的若干浮体俘获波浪能。该结构整体性强，可以在较好的吸收波浪能的同时提高自身抗风浪能力。整个发电装置类似浮在海面上一条大鱼，通过系泊***固定在特定海域，当装置出现故障时可以现场或拖回海岸进行维修，维护方便。

该发电装置采用液态金属磁流体直接发电的方式，捕浪装置俘获波浪能后，直接推动液体金属磁流体(LMMHD)发电机中工质——液体金属运动，进行发电。直接发电方式减少了发电***中间转化环节，提高整体的转换效率，同时减少出现故障的可能。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明的鱼形、筏式液态金属磁流体直接发电装置包括系泊***，前浮子，液态金属磁流体(LMMHD)发电机，后浮子和铰链。

前浮子为管形浮筒，其形状类似鱼的前部，前浮子前端尖后端平，其轴向长度小于或等于波浪的半个波长。前浮子采用耐腐蚀、高强度材料，如不锈钢制作出中空的结构，并保证适当的强度以抵抗海洋风浪的破坏。

后浮子材料、结构与前浮子类似，也是空心的管形浮筒。其轴向长度小于或等于波浪的半个波长。后浮子前部设计出安装LMMHD发电机的空间。后浮子后部带有尾鳍，使发电装置更平稳的在海浪中运行，减少翻滚。

前浮子与后浮子通过铰链连接，在波浪作用下，前、后浮子随波浪起伏运动，并相互配合产生在垂直平面上的，以铰链为中心的角位移。

液态金属磁流体(LMMHD)发电机由上、下活塞及活塞杆，上、下液缸，磁流体(MHD)发电通道，磁体、电极、液态金属发电工质等组成。LMMHD发电机的上下活塞缸、MHD发电通道、磁体、电极部分安装在后浮子前部设计的安装空间。上活塞、上活塞杆及上液缸的中心轴和下活塞、下活塞杆及下液缸的中心轴，均与通过铰链的水平轴线平行。MHD发电通道位于上下液缸之间，磁体安装在MHD发电通道周围，其磁场垂直于液态金属流动方向。电极安装在MHD矩形截面通道内壁，用于将LMMHD发电机产生的电流引出。MHD发电通道设计的内截面积远远小于上、下液缸的内截面积。上、下液缸和MHD发电通道连通，内部形成一密闭空间，液态金属密封在此空间内。液态金属磁流体(LMMHD)发电机的上、下活塞的活塞杆从后浮子前端面伸出，分别通过万向联轴节安装在前浮子后端面的上部和下部。

液态金属为低熔点金属或合金，如汞，NaK78，U47等。

系泊***安装在前浮子前端，它的作用是将整个发电装置固定在特定海域，同时保证前浮子可以灵活的作抬头和低头的动作。

当波浪经过该发电装置时，前、后浮子产生发生角位移，上、下活塞分别作压缩和拉伸运动，驱使上、下两液缸和发电通道内的液态金属住复运动。MHD发电通道内截面远远小于上、下液缸的内截面，虽然由前、后浮子角位移产生的上、下活塞的运动速度并不快，但由于液态金属为不可压缩流体，根据流体力学原理，液态金属会以较高速度流过发电通道。在发电通道外侧装有磁体，其磁场垂直于液体金属流动方向，此时就会产生感应电动势，通过布置在发电通道内壁的电极将电流引出。

波浪持续经过该发电装置，液态金属往复流动，从而实现波浪能直接发电。

附图说明

图1为本发明具体实施例鱼形、筏式液态金属磁流体波浪能直接发电装置结构图。其中：1为系泊***；2为前浮子；3为LMMHD发电机，3-1上活塞，3-2下活塞，3-3上活塞杆，3-4下活塞杆，3-5上液缸，3-6下液缸，3-7发电通道，3-8磁体；4为后浮子；5铰链。

图2为本发明装置具体实施例鱼形、筏式液态金属磁流体波浪能直接发电装置工作状态示意图，图2a为装置来浪时的运行状态，图2b为波浪经过发电装置时发电装置的运行状态。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图进一步说明本发明。

图1为本发明装置的具体实施例示意图。其中：1为锚绳(系泊***)；2为前浮子；3为LMMHD发电机；4为后浮子；5铰链。

如图1所示，LMMHD发电机由上活塞3-1，下活塞3-2，上活塞杆3-3，下活塞杆3-4，上液缸3-5，下液缸3-6，发电通道3-7，磁体3-8等主要结构组成，发电工质——液态金属密封储存在上液缸3-5、下液缸3-6及MHD通发电通道3-7连通形成的密闭空间中。

前浮子2为管形浮筒，其形状类似鱼的前部，前浮子2前端尖后端平，其轴向长度小于或等于波浪的半个波长。前浮子2采用耐腐蚀、高强度材料，如不锈钢制作出中空的结构。

后浮子4的材料、结构与前浮子类似，也是空心的管形浮筒。其轴向长度小于或等于波浪的半个波长。后浮子4的后部带有尾鳍。

前浮子2和后浮子4的轴向长度均小于或等于波浪的半个波长。

如图1所示，系泊***(锚绳)位于前浮子2的前端，将整个装置系泊在特定海域。前浮子2的后端与后浮子4的前端通过铰链连接在一起，前后浮子可以在垂直方向产生角位移。LMMHD发电机的上活塞3-1，下活塞3-2，上液缸3-5，下液缸3-6及磁体3-8，MHD通道3-7安装在后浮子4的前部空间，其中，磁体3-8位于MHD发电通道3-7两侧，上液缸3-5，下液缸3-6位于MHD通道上下两端，并通过过渡装置与MHD发电通道3-7连通。

上活塞3-1、上活塞杆3-3及上液缸3-5的中心轴和下活塞3-2、下活塞杆3-4及下液缸3-6的中心轴，均与通过铰链5的水平轴线平行。磁体安装在MHD发电通道周围，其磁场垂直于液态金属流动方向。电极安装在MHD矩形截面通道内壁，用于将LMMHD发电机产生的电流引出。

LMMHD发电机的上活塞杆3-3、下活塞杆3-4从后浮子4前端伸出，通过万向联轴节分别与前浮子2后端面上部和下部连接。当前后浮子发生角位移时，将带动上下活塞杆做拉伸及压缩运动，进而推动LMMHD发电机内的液态金属做往复流动。

液态金属采用低熔点的合金，NaK78。

图1所示是液态金属磁流体(LMMHD)发电装置的最简单结构，图中LMMHD发电机3可以安装多个磁流体(MHD)发电通道，通过适当的并联及串联组合获得合适的电压。

也可以在前后两个浮子之间铰链连接中间浮子，并在中间浮子内安装液态金属磁流体(LMMHD)发电机，增加装机容量。

图2所示为本发明装置工作的状态。该装置通过锚绳1系泊在海底。

如图2a所示，当波浪涌来时，前浮子2随之抬起，这时候由于前浮子2和后浮子4是通过铰链连接，因此产生了角位移即前后浮子由最初的在同一水平线变为出现一定夹角。连接前浮子2和LMMHD发电机3的活塞连杆发生运动，上活塞连杆3-3向内推动上活塞3-1，下活塞杆3-4向外拉动下活塞3-2，此时，液缸内的发电工质——液态金属从上液缸3-5高速流经发电通道3-7进入下液缸3-6，液体金属流过发电通道3-7，磁体3-8位于发电通道3-7两侧。磁体3-8为两极永磁磁体，产生与流动方向相垂直的磁场。在与磁场方向平行的磁流体(MHD)发电通道3-5的内壁上帖有平板型电极。流动的液态金属在与磁场的相互作用下，产生感生电动势，通过负载和功率转换装置输出电能。

如图2b所示，当波浪的波峰通过前浮子2，到达后浮子4时，后浮子4抬升，而前浮子2由于锚绳1及重力作用，做低头动作，两者发生角位移，活塞杆推动下活塞3-2向内压缩，上活塞3-1向外拉伸，这时候两液缸内的液态金属做与a图中描述相反的运动，液态金属流经发电通道3-7，进行发电，只是电流方向相反。

这样，随着海洋中波浪源源不断的流经该发电装置，就会有相应的交流电产生，具体的电流频率、电压等由海况及发电装置的设计决定。

Claims (6)

1.一种鱼形筏式液态金属磁流体波浪能直接发电装置，其特征在于所述的发电装置包括前浮子(2)、液态金属磁流体发电机(3)、后浮子(4)、系泊***(1)和铰链(5)；前浮子(2)形状类似鱼的前部，后浮子(4)的形状类似鱼的尾部；液态金属磁流体发电机(3)安装在后浮子(4)前部，前浮子(2)和后浮子(4)之间通过铰链(5)连接；前浮子(2)和后浮子(4)随波浪起伏运动，在波浪作用下相互配合实现在垂直平面上的，以铰链为中心的角位移，从而推动液态金属磁流体(LMMHD)发电机(3)的上、下活塞分别作压缩和拉伸运动，驱使上、下液缸和发电通道内的液态金属往复运动进行发电；系泊***(1)位于前浮子(2)的前部，所述的发电装置浮于海面，通过系泊***(1)固定在海域。

2.按照权利要求1所述的直接发电装置，其特征在于所述的前浮子(2)和后浮子(4)形状为管形浮筒，其中前浮子(2)的前端尖后端平，后浮子(4)的后部带有尾鳍；前浮子(2)和后浮子(4)的轴向长度均小于或等于波浪的半个波长。

3.按照权利要求1所述的直接发电装置，其特征在于：所述发电装置采用液态金属磁流体直接发电方式；液态金属磁流体(LMMHD)发电机由上活塞(3-1)、下活塞(3-2)、上活塞杆(3-3)、下活塞杆(3-4)、上液缸(3-5)、下液缸(3-6)、磁流体(MHD)发电通道(3-7)、磁体(3-8)、电极、液态金属发电工质组成；发电装置处于水平状态时，上活塞(3-1)、上活塞杆(3-3)及上液缸(3-5)的中心轴和下活塞(3-2)、下活塞杆(3-3)及下液缸(3-6)的中心轴，均与通过铰链(5)的水平轴线平行；上活塞杆(3-3)、下活塞杆(3-4)分别与前浮子(2)后端的上部和下部相连接；上液缸(3-5)，下液缸(3-6)位于磁流体(MHD)发电通道的上、下两端，磁流体(MHD)发电通道与上、下液缸连通形成密闭的流体通道；液态金属发电工质充满磁流体(MHD)发电通道及上、下液缸。

4.按照权利要求3所述的直接发电装置，其特征在于：所述的液态金属为低熔点金属或合金。

5.按照权利要求3所述的直接发电装置，其特征在于：其中液态金属磁流体(LMMHD)发电机或者通过多个磁流体(MHD)发电通道串联或并联组合。

6.按照权利要求1所述的直接发电装置，其特征在于：或者在前后两个浮子之间通过铰链连接中间浮子，并在中间浮子内安装液态金属磁流体(LMMHD)发电机。

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