CN101571097A - 一种漂浮悬挂式液态金属磁流体波浪能直接发电装置 - Google Patents

Abstract

一种漂浮悬挂式液态金属磁流体波浪能直接发电装置，由漂浮收缩式捕浪装置、往复压缩装置、联结装置、悬挂式液态金属磁流体发电机和系泊装置组成。其漂浮收缩式捕浪装置综合了浮子式、筏式和收缩坡道式的优点，可吸收波浪垂直和水平方向的能量，提高了波浪能的吸收效率；悬挂式液态金属磁流体发电机垂直悬挂在海面以上，便于安装和维护。

Description

一种漂浮悬挂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，特别涉及采用漂浮收缩式捕浪装置和悬挂式液态金属磁流体发电机的波浪能直接发电装置。

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。

波浪捕获系统和发电机是波浪能发电系统必不可少的两部分，而波浪捕获系统与发电机的耦合程度，决定了中间转换系统的存在与否。波浪捕获系统，即波浪能采集系统，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。波浪能发电系统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系统必须采用中间转换系统，如空气叶轮、低水头水轮机、液压系统、机械系统等将波浪捕获系统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，可与波浪捕获系统直接耦合，无须中间转换系统，这种发电方式称为波浪能直接发电。可见，波浪能直接发电系统结构简单，能量转换效率高。

收缩坡道式波浪能采集系统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。浮子式波浪能采集系统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系统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系统，如浮子式、收缩坡道式以及筏式主要利用波浪的某一种能量或某一方向的运动，波浪能捕获效率不高，如浮子式的波浪能吸收效率一般为50％左右。中国专利200610144400.5和美国专利5136173公开的MHD波浪能直接发电系统的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收缩式捕浪装置和悬挂式液态金属磁流体(LMMHD)发电机的波浪能直接发电装置。其漂浮收缩式捕浪装置综合了浮子式、筏式和收缩坡道式的优点，可吸收波浪垂直和水平方向的能量，提高了波浪能的吸收效率；悬挂式液态金属磁流体(LMMHD)发电机垂直悬挂在海面以上，便于安装和维护。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明的波浪能直接发电装置主要由漂浮收缩式捕浪装置、悬挂式液态金属磁流体(LMMHD)发电机、往复压缩装置、联结装置以及系泊装置组成。往复压缩装置垂直竖立在漂浮收缩式捕浪装置的上方，通过联结装置与漂浮收缩式捕浪装置轴联；液态金属磁流体(LMMHD)发电机垂直悬挂在往复压缩装置之中部；整个发电装置通过系泊装置锚固于海底。

漂浮收缩式捕浪装置由浮体和盖板组成，浮体的横截面为∏形、沿水平来流方向逐渐收缩，在浮体内部形成一V形、沿水平来流方向逐渐收缩的水道，水道的垂直高度略大于波高，水平来流方向的长度不大于1/2波浪的波长，以最大限度捕获波浪水平和垂直方向的能量；盖板在水道的尾部，可开闭，通过控制装置控制盖板的开度，形成导流孔，以在必要时，如超大浪时做泄流保护。漂浮收缩式捕浪装置通过联结装置与上方的往复压缩装置联结。

联结装置联结漂浮收缩式捕浪装置与往复压缩装置，由转动轴承和联结轴组成；联结轴一端固联往复压缩装置，另一端穿过设置在漂浮收缩式捕浪装置上的转动轴承；转动轴承安装在漂浮收缩式捕浪装置的浮体内的水道水平中轴线来流方向约1/3处，以保证整个发电装置的平稳，并便于漂浮收缩式捕浪装置转动，始终迎着来浪方向。

往复压缩装置由上、下压板、活动轴、滑动轴承、阻尼盘和复位弹簧组成；活动轴穿过阻尼盘上的滑动轴承，并分别与上、下压板固定；复位弹簧位于下压板与阻尼盘间；下压板与漂浮收缩式捕浪装置通过联结装置联结，联结轴固联在下压板上；阻尼盘为圆形，中心固联液态金属磁流体(LMMHD)发电机，其周向对称布置滑动轴承，并通过泊系装置锚固在海底。

液态金属磁流体(LMMHD)发电机由两个活塞缸，两个活塞、两个活塞杆、磁流体(MHD)发电通道，磁体、电极、液态金属发电工质等组成。液态金属磁流体(LMMHD)发电机通过磁体与往复压缩装置的阻尼盘固联，并通过阻尼盘上的滑动轴承与往复压缩装置的活动轴联结，垂直悬挂在往复压缩装置的中部。上、下活塞同轴置于上、下活塞缸内，通过上、下活塞杆与上、下压板固联。磁流体(MHD)发电通道的横截面为矩形，垂直穿过磁体的磁孔，并与磁体固联，其两端与上、下活塞缸相通并固联，与上、下活塞缸、上、下活塞等组成一密闭的流体通道；液态金属在密闭的流体通道内随上、下活塞的运动做垂直方向的往复运动。磁体为两极磁体，产生与流动方向相垂直的磁场。电极为平板型，对贴在与磁场方向平行的磁流体(MHD)发电通道的内壁。液态金属采用低熔点的合金，如NaK78或U47；液态金属的体积等于两活塞缸内的活塞与MHD发电通道形成的密闭的流体通道的体积，以保证磁流体(MHD)发电通道有效段时刻充满液态金属发电工质。

此外，磁流体(MHD)发电通道可采用多个并联的方式。在上、下活塞缸的底部各分出多个支路，上活塞缸的一个支路与下活塞缸的一个支路相对应、并与一个磁流体(MHD)发电通道两端相通并固联，且每个磁流体(MHD)发电通道均穿过磁体的磁孔并与磁体固联。这样，多个支路就与多个磁流体(MHD)发电通道相通并固联，多个磁流体(MHD)发电通道并联在上、下活塞缸之间。

系泊装置主要由锚绳和锚组成，锚绳一端固定在往复压缩装置的阻尼盘上，穿过往复压缩装置的下压板，另一端连接锚并通过锚固定在海底，锚绳的长度可调节，以适应海面各种情况。

风平浪静时，密闭的流体通道内的液态金属处于静止状态，上、下活塞缸内的活塞位于活塞缸之中间，复位弹簧处于原始状态。当波浪来时，漂浮收缩式捕浪装置随着波浪上浮，同时波浪进入漂浮收缩式捕浪装置浮体内的水道得到提升，推动往复压缩装置向上运动，由于阻尼盘通过泊系锚绳固定不动，复位弹簧受到挤压收缩，与下压板固联的下活塞缸内的下活塞向上运动，挤压密闭的流体通道内的液态金属向上流动，上活塞缸内的上活塞同时向上运动，腾出上活塞缸内的空间接纳下活塞缸内的下活塞挤压上来的液态金属。波浪退去时，上活塞缸内的上活塞在向下运动的漂浮收缩式捕浪装置的带动以及复位弹簧回复力的作用下向下运动，同时下活塞缸内的下活塞在向下运动的漂浮收缩式捕浪装置的带动下向下运动，液态金属向下流动到下活塞缸。随着波浪的起伏，该过程周而复始。磁流体(MHD)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，通过负载和功率转换装置输出电能。

本发明整个发电装置置于海面以上，采用漂浮收缩式捕浪装置和悬挂式液态金属磁流体(LMMHD)发电机，可吸收波浪各种方向和形式的能量，并直接将之转换为电能，结构简单、可靠，能量吸收和转换效率高、机动灵活、便于安装和维修、易于商业化推广。

附图说明

图1本发明具体实施例漂浮悬挂式液态金属磁流体波浪能直接发电装置的结构示意图，其中1-1为上活塞，1-2为下活塞；2-1为上活塞缸，2-2为下活塞缸；3为磁流体(MHD)发电通道；4为磁体；5为滑动轴承；6为阻尼盘；7为复位弹簧；8为转动轴承；9为联结轴；10为上压板；11为下压板；12-1为上活塞杆，12-2为下活塞杆；13为浮体；14为盖板；15为活动轴；16为锚；17为锚绳。

图2为本发明具体实施例的漂浮收缩式捕浪装置的结构示意图，其中13为浮体；14为盖板。

图3为本发明具体实施例的漂浮收缩式捕浪装置的两个磁流体(MHD)发电通道并联结构示意图，其中1-1为上活塞，1-2为下活塞；2-1为上活塞缸，2-2为下活塞缸；3-1、3-2为并联的磁流体(MHD)发电通道；4-1、4-2为磁体；12-1为上活塞杆，12-2为下活塞杆。

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为本发明具体实施例的结构示意图。如图1所示，本发明的波浪能直接发电装置主要由漂浮收缩式捕浪装置、悬挂式液态金属磁流体(LMMHD)发电机、往复压缩装置、联结装置以及系泊装置组成。上活塞1-1，下活塞1-2，上活塞缸2-1，下活塞缸2-2，上活塞杆12-1，下活塞杆12-2，磁流体(MHD)发电通道3和磁体4组成液态金属磁流体(LMMHD)发电机。滑动轴承5，阻尼盘6，复位弹簧7，活动轴15，上压板10和下压板11组成往复压缩装置。转动轴承8和联结轴9组成联结装置。浮体13和盖板14组成漂浮收缩式捕浪装置。锚16和锚绳17组成系泊装置。往复压缩装置垂直竖立在漂浮收缩式捕浪装置的上方，通过联结装置与漂浮收缩式捕浪装置轴联。液态金属磁流体(LMMHD)发电机垂直悬挂在往复压缩装置之中部。整个波浪能直接发电装置通过系泊装置锚固于海底，垂直漂浮在海面上。

如图2所示，漂浮收缩式捕浪装置由浮体13和盖板14组成。浮体13的横截面为∏形、沿水平来流方向逐渐收缩，在浮体内部形成一V型、沿水平来流方向渐收缩的水道，水道的垂直高度略大于波高，水平来流方向的长度不大于1/2波浪波长，以最大限度捕获波浪水平和垂直方向的能量。盖板14在浮体13的尾部，可开闭，其开度通过控制装置控制，形成不同开度的导流孔，以在特大波浪时做泄流保护。漂浮收缩式捕浪装置通过联结轴9、转动轴承8与上方的往复压缩装置联结。

转动轴承8和联结轴9组成联结装置，联结轴9一端固联下压板11，另一端穿过设置在浮体13上的转动轴承8，转动轴承8布置在浮体13内水道水平中轴线来流方向约1/3处，以保证整个发电装置的平稳，并便于漂浮收缩式捕浪装置转动，始终迎着来浪方向。

活动轴15，滑动轴承5，阻尼盘6，复位弹簧7，上压板10和下压板11组成往复压缩装置。活动轴15穿过阻尼盘6上的滑动轴承5并与上压板10、下压板11固定；复位弹簧7位于下压板11与阻尼盘6间；下压板11与联结轴9固联；阻尼盘6为圆形，中心固联液态金属磁流体(LMMHD)发电机的磁体4，其周向对称布置滑动轴承5，并通过泊系装置锚固在海底。

锚绳17和锚16组成系泊装置，锚绳17一端固定在往复压缩装置的阻尼盘6上，穿过往复压缩装置的下压板11，另一端连接锚16，并通过锚16锚固在海底，锚绳17的长度可调节，以适应海面各种情况。

上活塞1-1，下活塞1-2，上活塞缸2-1，下活塞缸2-2，上活塞杆12-1，下活塞杆12-2，磁流体(MHD)发电通道3，磁体4等组成液态金属磁流体(LMMHD)发电机，液态金属磁流体(LMMHD)发电机垂直悬挂在往复压缩装置之中部。上、下活塞1-1、1-2分别同轴置于上、下活塞缸2-1、2-2内，通过上、下活塞杆12-1、12-2与上、下压板10和11固联。磁流体(MHD)发电通道3的横截面为矩形，垂直穿过磁体4的磁孔，并与磁体4固联，磁流体(MHD)发电通道3的两端与活塞缸2-1、2-2相通并固联，并与上、下活塞缸2-1、2-2和上、下活塞1-1、1-2组成一密闭的流体通道。液态金属在密闭的流体通道内随上、下活塞1-1、1-2的运动做垂直方向的往复运动；磁体4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的内壁上帖有平板型电极。液态金属采用低熔点的合金，NaK78或U47；液态金属的体积等于上、下活塞缸2-1、2-2内的上、下活塞1-1、1-2与磁流体(MHD)发电通道3形成的流体通道的体积，以保证磁流体(MHD)发电通道3时刻充满液态金属发电工质。

磁流体(MHD)发电通道3可采用多个并联的方式。在上、下活塞缸2-1、2-2的底部各分出多个支路，上活塞缸2-1的一个支路与下活塞缸2-2的一个支路相对应、并与一个磁流体(MHD)发电通道两端相通并固联，且每个磁流体(MHD)发电通道均穿过磁体的磁孔并与磁体固联。这样，多个支路就与多个磁流体(MHD)发电通道相通并固联，多个磁流体(MHD)发电通道并联在上、下活塞缸之间。

图3示出了两个磁流体(MHD)发电通道的并联。磁流体(MHD)发电通道3-1、3-2穿过磁体4-1、4-2并分别与磁体4-1、4-2固联；磁流体(MHD)发电通道3-1与上活塞缸2-1的支路18-1-1、下活塞缸2-2的支路18-2-1相通并固联；磁流体(MHD)发电通道3-2与上活塞缸2-1的支路18-1-2、下活塞缸2-2的支路18-2-2相通并固联。

风平浪静时，密闭的流体通道内的液态金属处于静止状态，上活塞1-1和下活塞1-2分别位于上活塞缸2-1和下活塞缸2-2的中间位置，复位弹簧7处于原始状态。当波浪来时，漂浮收缩式捕浪装置随着波浪上浮，同时波浪进入水道得到提升，推动下压板11向上运动，由于阻尼盘6通过锚绳17固定不动，复位弹簧7受到挤压收缩，与下压板11固联的下活塞1-2向上运动，挤压密闭的流体通道内的液态金属向上流动，上活塞缸2-1内的上活塞1-1同时向上运动，腾出上活塞缸2-1内的空间接纳下活塞1-2挤压上来的液态金属。波浪退去时，上活塞1-1在向下运动的漂浮收缩式捕浪装置的带动以及复位弹簧7回复力的作用下向下运动，同时下活塞1-2在向下运动的漂浮收缩式捕浪装置的带动下向下运动，液态金属向下流动到下活塞缸2-2。随着波浪的起伏，该过程周而复始。磁流体(MHD)发电通道3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，通过负载和功率转换装置输出电能。

Claims (8)

1、一种漂浮悬挂式液态金属磁流体波浪能直接发电装置，其特征在于所述发电装置由漂浮收缩式捕浪装置、往复压缩装置、联结装置、悬挂式液态金属磁流体发电机和系泊装置组成；往复压缩装置垂直竖立在漂浮收缩式捕浪装置的上方，通过联结装置与漂浮收缩式捕浪装置轴联结；所述的液态金属磁流体发电机垂直悬挂在往复压缩装置的中部；所述的波浪能直接发电装置通过系泊装置锚固于海底。

2、按照权利要求1所述的直接发电装置，其特征在于：所述漂浮收缩式捕浪装置由浮体(13)和盖板(14)组成，通过转动轴承(8)和联结轴(9)与上方的往复压缩装置联结；浮体(13)的横截面为∏形，沿水平来流方向逐渐收缩，浮体(13)的内部形成一V型、沿水平来流方向逐渐收缩的水道，水道的垂直高度略大于波高，水平来流方向的长度不大于1/2波浪的波长；盖板(14)在浮体(13)的尾部，可开闭，盖板(14)的开度通过控制装置控制，形成不同开度的导流孔。

3、按照权利要求1所述直接发电装置，其特征在于：所述的液态金属磁流体发电机由上活塞(1-1)、下活塞(1-2)、上活塞缸(2-1)、下活塞缸(2-2)、上活塞杆(12-1)、下活塞杆(12-2)、磁流体(MHD)发电通道(3)、磁体(4)、电极和液态金属组成；液态金属磁流体发电机通过磁体(4)与阻尼盘(6)固联，并通过阻尼盘(6)上的滑动轴承(5)与往复压缩装置的活动轴(15)联结，垂直悬挂在所述往复压缩装置的中部；上活塞(1-1)同轴置于上活塞缸(2-1)内，下活塞(1-2)同轴置于下活塞缸(2-2)内，上、下活塞(1-1、1-2)通过上、下活塞杆(12-1、12-2)与上、下压板(10、11)固联；磁流体(MHD)发电通道(3)垂直穿过磁体(4)的磁孔，并与磁体(4)固联；上、下活塞缸(2-1、2-2)与磁流体(MHD)发电通道(3)的两端相通并固联；上、下活塞缸(2-1、2-2)内的上、下活塞(1-1、1-2)与磁流体(MHD)发电通道(3)形成密闭的流体通道，磁流体(MHD)发电通道(3)内充满液态金属。

4、按照权利要求3所述直接发电装置，其特征在于：所述的液态金属为NaK78或U47。

5、按照权利要求3所述直接发电装置，其特征在于：所述的磁流体(MHD)发电通道或采用多个，多个所述的磁流体(MHD)发电通道并联在上活塞缸(2-1)与下活塞缸(2-2)之间；上、下活塞缸(2-1、2-2)的底部各分出多个支路，上活塞缸(2-1)的一个支路与下活塞缸(2-2)的一个支路相对应，并与一个磁流体(MHD)发电通道两端相通并固联；多个磁流体(MHD)发电通道分别穿过磁体的磁孔并与磁体固联。

6、按照权利要求1所述的直接发电装置，其特征在于：所述的往复压缩装置由活动轴(15)、滑动轴承(5)、阻尼盘(6)、复位弹簧(7)、上压板(10)和下压板(11)组成；复位弹簧(7)位于下压板(11)与阻尼盘(6)之间；下压板(11)与联结轴(9)固联；阻尼盘(6)为圆形，中心固联磁体(4)，其周向对称布置滑动轴承(5)；活动轴(15)穿过滑动轴承(5)分别固联上、下压板(10)和(11)。

7、按照权利要求1所述的直接发电装置，其特征在于：所述联结装置由转动轴承(8)和联结轴(9)组成；联结轴(9)的一端固联下压板(11)，联结轴(9)的另一端穿过安装在浮体(13)上的转动轴承(8)；转动轴承(8)设置在浮体(13)内的水道水平中轴线来流方向约1/3处。

8、按照权利要求1所述的直接发电装置，其特征在于：所述系泊装置由锚绳(17)和锚(16)组成，锚绳(17)一端固定在阻尼盘(6)上，且穿过下压板(11)，另一端连接锚(16)，通过锚(16)锚固在海底，锚绳(17)的长度可调节。

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