CN101309041B

CN101309041B - 一种摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管

Info

Publication number: CN101309041B
Application number: CN2008101165326A
Authority: CN
Inventors: 赵凌志; 彭燕; 沙次文; 李然; 许玉玉; 刘保林; 李建; 贾龙
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: CN101309041A

Abstract

一种摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管，由钩环(1)、浮管壳体(2)、存贮容器(3-1)和(3-2)、发电通道(4)、磁体(5)、电极(6)、功率输出系统(7)、液态金属(8)组成，漂浮在海面上，随波浪起伏而摇摆。液态金属(8)随着浮管壳体(2)的摇摆在发电通道(4)中往复运动，与磁体(5)产生的磁场相互作用，产生感生电动势，通过平板电极(6)和功率输出系统(7)输出电能。本发明具有高转换效率、大功率密度、结构简单紧凑、成本低廉、移动性好的优点，易于商业化推广。

Description

一种摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管

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浮管，特别是摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管。

背景技术

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。迄今为止，输出功率超过100kW的波浪能发电系统大约有10座左右，最大装机容量已达到750kW。

传统的波浪能发电系统一般由三部分组成，即波浪采集系统、中间转换系统和发电系统。波浪采集系统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。中间转换系统是将采集装置的机械能转换成与发电系统相匹配的能量形式的连接装置，主要有空气叶轮、低水头水轮机、液压系统、机械系统以及发电机等。而发电系统无一例外地采用了旋转发电机。如美国专利6476511B1公开了一种漂浮式波浪能采集装置。该装置采用链式结构，将若干个浮标柱体通过耦合器首尾相连；每个浮标柱体至少能沿一个水平轴旋转，配有一套液压油缸来抵挡和收集柱体间相对运动的波浪能。虽然这种振荡浮子式与液压系统相组合的波浪能发电系统采用蓄能器，输出稳定，抗风浪冲击能力强。然而，该发电系统通过复杂的液压系统或透平机械驱动传统高速旋转发电机，将波浪能转换成电能。因此，系统结构庞大，造价昂贵，系统转换效率低，运行维护复杂。导致这种状态的根本原因在于海洋波浪能特性不匹配高速旋转发电机的阻力特性。海洋波浪能是以大作用力(数吨的力)，低速度(0.5～2米/秒)的形式存在的一种能量，要将这种能量系统与传统的高速旋转发电机相耦合，必须使用低效率的机械装置，如变速齿轮箱或空气压缩透平系统。这通常会严重限制系统效率的提高，增大系统装置的造价。

故而，近年来又提出了可以将波浪能直接转换成电能的波浪能直接发电系统。这些系统几乎没有任何运动部件，系统简单、可靠、免维护；更为重要的是，发电机的运动特性与波浪的运动相吻合，大大提高了系统的转换效率。

荷兰研制的阿基米德波浪摆(Archimedes Wave Swing)是世界上第一台波浪能直接转换的发电装置。它主要由浮筒、浮子和永磁同步直线发电机组成。浮筒是一个充满空气的钢壁圆筒，顶部的盖子称为浮子；当波浪过来时，浮筒中的空气由于水压的作用，体积减小，浮子向下运动；当波峰过去后，浮筒中的空气由于空气压力的膨胀体积增加，浮子往上运动。永磁同步直线发电机的动子与浮子相连，这样浮子的往复运动就可以通过直线发电机直接转换成电能输出。AWS的试验装置于2004年5月在葡萄牙海岸进行发电试验，于同年10月首次并网发电成功。但在运行过程中，AWS装置的发电机表现出明显的不足：发电机太大，造价太高；动子和定子之间的吸力大，给轴承的支撑系统带来很大的问题；同时，还存在发电机的损失和冷却等问题。

1991年，美国专利5136173公开了一种磁流体波浪能直接发电系统。该系统包括一个垂直悬吊在深水中的MHD发电机，其上端与一个浮在海面的浮子相联。MHD发电机中的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。在MHD通道的水平方向布置有由电磁体或是其他方法(如超导等)产生的一个强磁场，且在通道内部放置一对电极。如图1所示，在与磁场的相互作用下，流动的海水产生感生电动势；通过电缆连接负载，输出电能；通过功率转换系统，可为用户提供稳定的电力供应。但该系统采用电导率低的海水作为工作流体，效率低，难以实用。2005年，美国专利0146140A1公开了一种液态金属磁流体(LMMHD)波浪能直接发电单元装置，采用高电导率(约为海水10⁶倍)的液态金属作为MHD通道中的工作流体，进而提高了装置的效率和实用性。该装置主要利用波浪的垂直运动，采用垂直海平面的布置方式，浮子漂浮在海平面，而发电通道等关键部件垂直置于深海中，因而，整个系统的定位、安装、调试等方面都存在着一定的困难，且该装置的可移动性较差。

中国专利200610144400.5公开了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，由U型管道、磁体、磁流体电极、弹性容器和和刚性容器组成。该装置采用双发电通道，消除了感生磁场的影响。然而，该装置垂直布置在近海面的海水中，只能利用波浪的势能，且抗风浪冲击能力差。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明提出一种摇摆式波浪能液态金属磁流体发浮管。该发电浮管漂浮在海面上，液态金属随着波浪的起伏在发电通道中往复运动，与磁场相互作用，产生感生电动势。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明的摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管由钩环、浮管壳体、存贮容器、发电通道、液态金属、磁体、电极、功率输出系统等组成。浮管壳体为一段两端密封的管，浮管壳体两端各布置一个钩环，钩环用于发电浮管的定位和连接多个发电浮管。存贮容器、发电通道、磁体、电极、功率输出系统等布置在浮管壳体内。磁体布置于浮管壳体之中段位置，产生垂直于流动方向的磁场。磁体为两极磁体，可采用永磁体或电磁体或超导磁体等其他形式的磁体。发电通道由同轴的连接段和有效段组成，发电通道穿过磁体的磁孔，其有效段位于磁体的磁孔内，有效段的两端通过左、右连接段分别与左、右存贮容器相连，组成一密封腔，液态金属在该密封腔内流动。发电通道的有效段为直线式，由不导磁、不导电的材料制成，其横截面为矩形或方形；一对电极为平板形，相对贴在与磁场方向平行的发电通道有效段的内壁上，收集MHD作用所产生的电流。功率输出系统布置在磁体与存贮容器之间，主要由电流引线、电缆以及串联电容器等组成，将电极收集到的电流引出，并转换成用户可用的电能。存贮容器对称布置在发电通道的两端，容积较大；为减小液态金属的流动损失，发电通道与两存贮容器组成的密封腔为真空。

当风平浪静时，本发明的发电浮管漂浮在海面上，发电通道和两存贮容器所组成的密封腔内的液态金属液面相持平，液态金属处于静止状态。当波浪来时，浮管壳体随波浪的运动发生倾斜，其中一端位于波峰，而另一端位于波谷；处于波峰的存贮容器中的液态金属的势能增大，在重力的作用下，经过发电通道向处于波谷的存贮容器流动，波浪能转化为液态金属的势能，再转化为液态金属的动能；发电通道中，流动的液态金属在与磁场的相互作用下，产生感生电动势，通过电极和功率输出系统输出电能，反之亦然。

本发明的发电浮管的长度根据具体的实施环境而定；通过合理的结构设计，可使发电通道中的液态金属始终处于充满的状态，以获得最佳的发电效率。若干个本发明的摇摆式发电浮管可通过钩环首尾相连，每个发电浮管产生的感生电动势可根据需要采取串联或并联的连接方式。

本发明的发电浮管漂浮在海面上，随波浪起伏而摇摆；液态金属随着浮管壳体的摇摆在发电通道中往复运动，将波浪能直接转换为与MHD发电方式相匹配的液态金属的动能，从而取消了复杂的活塞传动系统和运动部件，降低了机械损失；MHD发电机具有高的效率，且其阻力特性与波浪的运动特性相匹配，因而，提高了系统的转换效率；高电导率的液态金属作为发电工质，提高了功率密度和装置的实用性；此外，液态金属在密封的空间流动，不会发生泄露，提高了该发电装置的可靠性和环保性。

本发明的摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管具有高转换效率、大功率密度、结构简单紧凑、成本低廉、移动性好的优点，易于商业化推广。

附图说明

图1为磁流体发电原理示意图。

图2为本发明具体实施例摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管结构示意图，其中：1为钩环，2为浮管壳体，3-1为左存贮容器，3-2为右存贮容器，4为发电通道，5为磁体，6为电极，7为功率输出系统，8为液态金属。

图3为本发明具体实施例摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管的工作过程，其中图3a为发电浮管左端处于波峰时的工作过程，图3b为发电浮管右端处于波峰时的工作过程；3-1为左存贮容器，3-2为右存贮容器，4-1为发电通道4的左连接段，4-2为发电通道4的右连接段，4-3为发电通道4的有效段，8为液态金属。

图4为某海域的波浪特性。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

图2为本发明具体实施例的结构示意图。如图2所示，本发明具体实施例由钩环1、浮管壳体2、左存贮容器3-1和右存贮容器3-2、发电通道4、磁体5、电极6、功率输出系统7、液态金属8等组成。浮管壳体2为一两端密封的管，左存贮容器3-1和右存贮容器3-2、发电通道4、磁体5、电极6、功率输出系统7布置在浮管壳体2内。磁体5置于浮管壳体2之中段位置，为两极磁体，可采用永磁体或电磁体，还可以采用超导磁体；磁体5产生垂直于流动方向的磁场。发电通道4由同轴的有效段4-3和左、右连接段4-1和4-2组成；有效段4-3在磁体5的磁孔中，由不导磁不导电的材料制成，其横截面为矩形或方形；左连接段4-1与左存贮容器3-1相连，右连接段4-2和右存贮容器3-2相连。发电通道4和左存贮容器3-1、右存贮容器3-2的内部构成一密封腔，液态金属8在此密封腔中流动；为减小液态金属8的流动损失，该密封腔为真空。一对电极6为平板形，对贴在与磁场方向平行的、发电通道有效段4-3的内壁上，位置相对。电极6用于收集MHD作用所产生的电流。功率输出系统7布置在磁体5与右存贮容器3-2之间，也可布置在磁体5与左存贮容器3-1之间；功率输出系统7由电流引线、电缆以及串联电容器等组成，将电极6收集到的电流引出，并转换成用户可用的电能。左存贮容器3-1和右存贮容器3-2对称布置在发电通道4的两端。左存贮容器3-1和右存贮容器3-2容积较大。钩环1为一对，对称布置在浮管壳体2的两端部，用于发电浮管的定位和多个发电浮管的连接。

当风平浪静时，本发明的发电浮管漂浮在海平面上，如图2所示，发电通道4和左存贮容器3-1、右存贮容器3-2的内部密封腔中的液态金属8的液面相持平，液态金属8处于静止状态。当波浪来时，浮管壳体2随波浪的运动发生倾斜，如图3所示，其中一端位于波峰，而另一端位于波谷。图3a中，左存储容器3-1处于波峰，右存储容器3-2处于波谷，左存贮容器3-1中的液态金属8的势能增大，在重力的作用下，经过左连接段4-1，有效段4-3和右连接段4-2向处于波谷的右存贮容器3-2中流动，波浪能转化为与MHD发电方式相匹配的动能。当波峰过去后波谷来时，如图3b所示，左存贮容器3-1处于波谷，右存贮容器3-2处于波峰，右存贮容器3-2中的液态金属8的势能增大，在重力的作用下，经过右连接段4-2、有效段4-3和左连接段4-1向处于波谷的左存贮容器3-1中流动，波浪能转化为与MHD发电方式相匹配的动能。在发电通道4的有效段4-3，流动的液态金属8在与磁场的相互作用下，产生感生电动势，通过电极6和功率输出系统7输出电能。

如某海域的波浪特性如图4所示，波浪为正弦波形状，波频H＝0.1Hz，波高F＝6m，传播速度约V＝2.2m/s，则相邻两波峰之间的水平距离L₁＝V/H＝22m，相邻波峰和波谷间的水平距离为L₂＝L₁/2＝11m，θ＝(arctg(L₂/F))°。如本发明的摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管的浮管壳体2的长度L_f＝11m，发电通道有效段4-3的长度L_MHD＝2.5m，忽略摩擦阻力，液态金属8在发电通道有效段4-3的运动速度可达6m/s，平均速度v_p＝3m/s；横截面为矩形的发电通道的发电功率密度P＝k(1-k)σ(v_p)²B²W/m³，如负载系数k＝0.5，液态金属的电导率σ＝2*10⁶S/m，v_p＝6m/s，B＝1T，则发电功率密度P＝4.5*10⁶W/m³；如发电通道有效段4-3的横截面为50mm*100mm，长为2.5m，则发电通道有效段4-3的体积为0.025m³，发电功率为112.5kW。

Claims

1.一种摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管，包括发电通道(4)、磁体(5)、电极(6)、功率输出系统(7)、液态金属(8)，其特征在于：该发电浮管还包括钩环(1)、浮管壳体(2)、左存贮容器(3-1)、右存贮容器(3-2)；浮管壳体(2)为一段两端密封的管，左存贮容器(3-1)和右存贮容器(3-2)、发电通道(4)、磁体(5)、电极(6)、功率输出系统(7)布置在浮管壳体(2)内；磁体(5)位于浮管壳体(2)的中部；发电通道(4)穿过磁体(5)的磁孔，发电通道(4)的两端分别与左存贮容器(3-1)及右存贮容(3-2)相连；发电通道(4)、左存贮容器(3-1)及右存贮容器(3-2)三者内部构成一密封腔，液态金属(8)在该密封腔中流动；功率输出系统(7)由电流引线、电缆及串联电容器组成，布置在磁体(5)与左存贮容器(3-1)或磁体(5)与右存贮容器(3-2)之间；一对钩环(1)对称布置在浮管壳体(2)的两端部。

2.按照权利要求1所述的发电浮管，其特征在于：浮管壳体(2)漂浮在海面上，随波浪的起伏而摇摆；液态金属(8)随着浮管壳体(2)的摇摆在发电通道(4)中往复运动，与磁体(5)产生的磁场相互作用，产生感生电动势。

3.按照权利要求1所述的发电浮管，其特征在于：发电通道(4)由同轴的左连接段(4-1)、右连接段(4-2)和有效段(4-3)组成，左连接段(4-1)与左存贮容器(3-1)相连，右连接段(4-2)和右存贮容器(3-2)相连，有效段(4-3)置于磁体(5)的磁孔之中；有效段(4-3)为直线式，其横截面为矩形或方形，有效段(4-3)由不导磁不导电的材料制成；电极(6)为一对，为平板形，相对贴在与磁场方向平行的发电通道有效段(4-3)的内壁上。

4.按照权利要求1所述的发电浮管，其特征在于：磁体(5)为两极磁体，可采用永磁体或电磁体。

5.按照权利要求1或3所述的发电浮管，其特征在于：发电通道(4)和左存贮容器(3-1)、右存贮容器(3-2)三者的内部构成的密封腔为真空。

6.按照权利要求1所述的发电浮管，其特征在于：若干个发电浮管可通过钩环(1)首尾相连；每个发电浮管产生的感生电动势采取串联或并联的连接方式。