CN101424242A - 海洋波浪鸭式超导磁流体发电系统和发电方法 - Google Patents

Abstract

海洋波浪鸭式超导磁流体发电系统和发电方法，将海洋波浪能转变为摆动的动能，采用超导磁体磁场流体发电装置直接将摆动的动能转化为电能；改变海洋波浪鸭波浪摆的宽度，改变系统聚集的海洋波浪能能量值。波浪摆的形状为尾部是半径为R的圆柱，背部是直线，鸭趾是弧形，鸭头为圆头；波浪摆的上部和下部分别连接有转动轴，转动轴连接传动杆，传动杆连接并推动液压泵的活塞，液压泵中有液态金属，液压泵连接超导磁流体发电装置；冷却设备连接超导磁流体发电装置。驱使液态金属在超导磁流体发电装置直管发电通道中来回移动，产生感生电动势发电。系统简单，可靠，维护小。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。

Description

海洋波浪鸭式超导磁流体发电系统和发电方法

技术领域

本发明涉及一种利用海洋波浪能进行发电的海洋波浪鸭式超导磁流体发电系统和发电方法，属于利用海洋波浪可再生能源水力发电领域。

背景技术

随着石油、煤炭等非可再生能源存量的减少以及环境污染所导致温室效应的加剧，人们开始寻求新的能源。而海洋波浪能作为一种可再生能日益受到人们的重视。有效利用巨大的海洋波浪能资源是人类几百年来的梦想。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。

目前，波浪能发电系统普遍采用振荡水柱与空气叶轮，振荡浮子式、摆式、筏式与液压系统的组合方式，前者的优点在于采用空气传递能量，避免波浪对脆弱的发电系统的直接打击；后者采用蓄能器，输出稳定，抗风浪冲击能力强。然而，这些发电系统最终都通过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，必须使用高变速比的传动装置或低效率的机械装置，如变速齿轮箱和空气压缩透平系统。这通常会严重限制系统效率的提高，增大系统装置的造价。

发明内容

为了克服波浪能利用中如变速齿轮箱和空气压缩透平系统带来的的低效、复杂和维护较大的问题，本发明提供一种海洋波浪鸭式超导磁流体发电系统和发电方法。系统简单，可靠，维护小。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。

本发明采用的技术方案是采用海洋波浪鸭式超导磁流体发电系统，有波浪摆外壳体、摇摆轴；有转动轴，传动杆，液压泵，液态金属，磁体，冷却设备，直管发电通道，超导磁流体发电装置。

波浪鸭波浪摆的形状为尾部是半径为R的园柱，背部是直线，鸭趾是弧形，鸭头为园头；或波浪摆尾部做成圆柱形，波浪摆内部有密封空间，波浪摆的上部和下部分别连接有转动轴，转动轴连接传动杆，传动杆连接并推动液压泵的活塞，液压泵中有液态金属，液压泵连接超导磁流体发电装置；冷却设备连接超导磁流体发电装置。

超导磁流体发电装置，为发电双通道中感生电动势以串联方式连接，其中有发电上通道，有发电下通道；发电上通道中有一对电极：发电下通道中有一对电极。发电上通道和下通道的结构尺寸完全相同。

随着海洋波浪的起伏，波浪鸭上下摆动带动摇摆轴摆动，摆动的动能经过上下转动轴和上下传动杆驱动上下液压泵的活塞来回运动，驱使液态金属在直管发电通道中来回移动，切割由磁体产生的磁场而产生感生电动势发电。

冷却设备用来冷却液体金属的升温。

调节液压泵的活塞面积和直管发电通道垂直截面积的比值，可以改变液态金属在直管发电通道中的运动速度。

本发明采用的技术方案是采用上述海洋波浪鸭式超导磁流体发电系统的发电方法，将海洋波浪能转变为摆动的动能，采用超导磁体磁场流体发电装置直接将摆动的动能转化为电能；改变海洋波浪鸭波浪摆的宽度，就可以改变系统聚集的海洋波浪能能量值。

波浪鸭式波能转换装置是由英国爱丁堡大学索尔特(Salter)教授发明的，在图1中，当波浪从左边传来时，在水质点作圆周运动的动力作用下，鸭体以2摇摆轴为中心上下运动，同时在水体升降过程，在流体静压力的作用下，鸭头上下沉浮，产生回旋力。这两种压力的运动是同相位的，鸭式可以最大限度地吸收作圆周运动的波动水体水质点的动能和势能，包括表层和深层波动的水体。在造波水池实验，一字排开的波浪鸭波能吸收率可达90％。

附图说明

图1为波浪鸭式波浪摆剖面示意图(放大后)；

图2为海洋波浪鸭式超导磁流体发电系统剖面示意图；

图3为超导磁流体发电装置A-A截面示意图(放大后)。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

实施例1：

图1为波浪鸭式波浪摆剖面图。1为波浪摆外壳体，2为摇摆轴，随着海洋波浪的起伏，波浪鸭式波浪摆上下摆动带动摇摆轴摆动，海洋波浪能汇聚为摇摆轴上的摆动动能。波浪摆的形状设计成能最大限度地吸收波浪能的形状：尾部是半径为R的园柱，背部是直线，鸭趾是弧形，鸭头为园头。从左边过来的波浪使波浪摆摆动，波浪摆尾部做成圆柱形，使右边的海面不再有波浪。3为波浪摆内部密封空间，可以注入海水也可以排出海水来控制波浪摆有适合的吃水深度。改变海洋波浪鸭波浪摆的宽度，就可以改变系统聚集的海洋波浪能能量值。

实施例2：

图2为海洋波浪鸭式超导磁流体发电系统剖面示意图。其中4为转动轴，5为传动杆，6为液压泵，7为液态金属(比如水银)，8为磁体(超导磁体)，9为冷却设备，10为直管发电通道。随着海洋波浪的起伏，波浪鸭1上下摆动带动摇摆轴2摆动，摆动的动能经过上下转动轴4和上下传动杆5驱动上下液压泵6的活塞如图2箭头方向来回运动，驱使液态金属7在直管发电通道10中来回移动，切割由磁体8产生的磁场而产生感生电动势发电。冷却设备9用来冷却液体金属7的升温。调节液压泵6的活塞面积和直管发电通道10垂直截面积的比值，可以改变液态金属7在直管发电通道10中的运动速度。比如液压泵6的活塞面积和直管发电通道10垂直截面积的比值为20，则直管发电通道10中的液态金属运动速度将是液压泵6的活塞运动速度的20倍。这时如果海洋波浪能速度为1.5m/s，则直管发电通道10中的液态金属运动速度将是30m/s。

为了得到高的发电机功率密度，提高磁感应强度是必须的。普通电磁铁的磁感应强度不超过2.5T，而且要消耗大量电能和配置大功率的整流设备，而超导磁体的场强可达到5T或是更高，且基本不消耗能量。所以采用超导磁体8。

图3为超导磁流体发电装置A-A截面示意图。本发明具体实施方式为发电双通道中感生电动势为串联连接方式，其中10-1为发电上通道，10-2为发电下通道；11-1-1和11-1-2为发电上通道10-1中的一对电极：11-2-1和11-2-2为发电下通道10-2中的一对电极。发电上10-1通道和下10-2通道的结构尺寸完全相同。

发电上10-1下10-2双通道中液态金属的流动方向相反，在发电上通道10-1中，液态金属7垂直纸面向外流动，流速为v；而发电下通道10-2中液态金属7的流动方向为垂直纸面向里，流速也为v。作用在发电通道10-1和10-2上的外加磁场为B，在发电双通道中均为垂直向下，因而在发电双通道中产生的感生电动势的方向相反，如图3中感生电流j₁和j₂所示，发电上通道10-1的正电极为11-1-1，而发电下通道10-2的正电极为11-2-2；将发电上通道10-1中的正电极11-1-1与发电下通道10-2的负电极11-2-1相连；发电上通道10-1的负电极11-1-2与发电下右通道10-2的正电极11-2-2作为该发电单元的负、正极与外电路连接，输出电能。

实始例3

如果发电通道的结构尺寸为：a＝65mm b＝20mm通道长1＝300mm。液态金属选择水银，水银电阻率在摄氏20时为9.6×10^-7欧姆·米。比如液压泵6的活塞面积和直管发电通道10垂直截面积ab的比值为20，海洋波浪能速度为1.5m/s，直管发电通道10中的液态金属运动速度将是v＝30m/s。如果磁场强度为5T，负载电阻和回路总电阻的比值取K＝0.5，则理论上磁流体发电机的输出功率：

$P=2\×\frac{1}{\mathrm{\ρ}}{v}^2{B}^2(1-K)\mathrm{Kabl}$

$=2\×\frac{1}{9.6\×{10}^{-7}}\×{30}^2\×5^2\×(1-0.5)\×0.5\×0.065\×0.02\×0.3$

$=4.57\mathrm{MW}$

理论上发电设备的电源电动势：

E＝2vBa＝2×30×5×0.065＝19.5(V)

由于没有考虑漏电和霍尔效应的影响，也没有考虑温度变化的影响，所以上面的计算只是近似的估算。

Claims (3)

1、一种海洋波浪鸭式超导磁流体发电系统，其特征是；有波浪摆外壳体、摇摆轴；有转动轴，传动杆，液压泵，液态金属，磁体，冷却设备，直管发电通道，超导磁流体发电装置；

波浪摆的上部和下部分别连接有转动轴，转动轴连接传动杆，传动杆连接并推动液压泵的活塞，液压泵中有液态金属，液压泵连接超导磁流体发电装置；冷却设备连接超导磁流体发电装置；波浪摆的形状为尾部是半径为R的园柱，背部是直线，鸭趾是弧形，鸭头为园头；或波浪摆尾部做成圆柱形，波浪摆内部有密封空间，

超导磁流体发电装置，为发电双通道中感生电动势为串联连接方式，其中有发电上通道，有发电下通道；发电上通道中有一对电极：发电下通道中有一对电极；发电上通道和下通道的结构尺寸完全相同。

2、根据权利要求1所述的一种海洋波浪鸭式超导磁流体发电系统的发电方法，其特征是；将海洋波浪能转变为摆动的动能，采用超导磁体磁场流体发电装置直接将摆动的动能转化为电能。

3、根据权利要求1所述的一种海洋波浪鸭式超导磁流体发电系统的发电方法，其特征是；通过改变海洋波浪鸭波浪摆的宽度，改变系统聚集的海洋波浪能能量值。

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