CN105720785A - 一种单管多段液态金属磁流体发电机 - Google Patents

一种单管多段液态金属磁流体发电机 Download PDF

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Abstract

一种单管多段液态金属磁流体发电机，其三个发电通道(31、41、51)垂直布置于单方向的均匀磁场下。第一发电通道(31)和第二发电通道(41)通过第一过渡段(6)连通，第二发电通道(41)和第三发电通道(51)通过第二过渡段(7)连通，第一发电通道(31)的另一端和入口段(1)连通，第三发电通道(51)的另一端和出口段(2)连通。入口段(1)、第一发电通道(31)、第一过渡段(6)、第二发电通道(41)、第二过渡段(7)、第三发电通道(51)和出口段(2)组成通道连通空间，液态金属(8)在通道连通空间内往复流动，切割磁力线，感生电动势。

Description

一种单管多段液态金属磁流体发电机
技术领域
本发明涉及一种液态金属磁流体发电机，特别涉及一种采用单管多段的液态金属磁流体发电机。
背景技术
新型液态金属磁流体(LiquidMetalMagnetohydrodynamics，LMMHD)发电机采用交替外力，如汽车内燃力和波浪力，直接驱动液态金属在发电通道内往复直线运动，切割磁力线，产生交流电能。与传统LMMHD发电系统相比，如两相流发电系统和单相流发电系统，新型LMMHD发电机采用直接驱动和单相的液态金属发电工质，无需额外的能量和设备来维持工作流体良好的导电性，结构简单，功率密度大，效率高，因此在混合动力汽车、分布式供电电源和波浪能直接发电系统中有广泛的应用前景。
新型LMMHD发电机的发电通道一般为矩形，其负载电压UL＝Bubk，负载电流IL＝BuaLσ(1-k)，发电机内阻Rg＝b/(aLσ)，B为外加磁场强度，u为发电通道内液态金属的平均速度，b为电极间距，a为电极宽度(即有效磁极间距)，L为电极长度，σ为液态金属电导率，RL为负载电阻，k＝RL/(RL+Rg)为负载系数。σ为106S/m；u为101m/s，a和b通常为10-1m，L为10-1～100m，B为100T，则Rg为10-5～10-6Ω，IL为105～107A，UL为100V。因而，新型LMMHD发电机具有低电压、大电流的输出特性，远不同于传统发电机的输出特性。
对于用电设备，如水下机器人、各种传感器和声呐设备，需要稳定的DC或AC，工作电压一般为100～102V，工作电流为100～102A，内阻都在欧姆级甚至更高，与新型LMMHD发电机的内阻极不匹配，需要通过电能变换系统，将其输出的低压、大电流的交流电能转换成用户需要的稳定电能。然而，目前电力电子器件的最低导通电压约为0.7V，能导通的最大电流为8320A，远不能满足直接对新型LMMHD发电机的输出进行电能变换的要求。一方面，需针对新型LMMHD发电机的输出特性研发相应的新型电力电子器件；另一方面，需对新型LMMHD发电机进行优化设计以提高输出电压、降低输出电流，满足目前电力电子器件的性能。
中国专利200610144400.5采用双通道串联布置电路串联、美国专利0146140A1采用多通道并联布置电路串联的方式来增加发电机的输出电压、降低输出电流。然而，中国专利200610144400.5为仅有一个U型过渡段的双通道结构，其增加发电机输出电压的能力有限，而且不是直线型，大大限制了其应用场合；美国专利0146140A1中的16个发电单元为独立结构，但是如果各单元受力不等导致感生电流不等，多个发电单元并联布置电路串联输出的非均匀性是随之而来的问题。
中国专利201510661287.7提出一种环形通道液态金属磁流体发电机，采用径向截面为环形的通道结构，结合径向均匀磁场和液态金属的轴向方向流动，提高了发电机输出电压，即降低了低电压、大电流的交流电到稳定可用电能的转换难度，但是该发电机的磁体设计、加工和安装等较为复杂。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明提出一种单管多段液态金属磁流体发电机。本发明单管多段液态金属磁流体发电机的多个发电通道通过U型过渡段连通，采用串联的方式将相邻发电通道电路串联，以提高发电机的输出电压。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
本发明的单管多段液态金属磁流体发电机由入口段，出口段，第一发电通道、第一平板电极对，第二发电通道、第二平板电极对，第三发电通道、第三平板电极对，第一过渡段，以及第二过渡段组成。第一发电通道，第二发电通道和第三发电通道垂直布置于单方向的均匀磁场下。第一发电通道和第二发电通道通过第一过渡段连通，第二发电通道和第三发电通道通过第二过渡段连通，第一发电通道的另一端和入口段连通，第三发电通道的另一端和出口段连通。入口段、第一发电通道、第一过渡段、第二发电通道、第二过渡段、第三发电通道和出口段连接，组成一个通道连通空间，该通道连通空间内充满液态金属。液态金属在通道连通空间内沿入口段、第一发电通道、第一过渡段、第二发电通道、第二过渡段、第三发电通道、出口段往复流动，在第一发电通道、第二发电通道和第三发电通道内切割磁力线，感生电动势。
所述的第一发电通道、第二发电通道和第三发电通道上下平行布置，并依次垂直布置于单方向的均匀磁场下。第一发电通道、第二发电通道和第三发电通道之间的距离相等。三个发电通道的壁面均采用绝缘材料制作。
第一过渡段和第二过渡段为U型结构，入口段、第一发电通道、第一过渡段、第二发电通道、第二过渡段、第三发电通道和出口段在垂直于液态金属流动方向上的通道连通空间截面均为矩形，且矩形的长和宽相等。入口段、出口段、第一过渡段和第二过渡段的壁面均采用绝缘材料制作。
第一平板电极对、第二平板电极对和第三平板电极对均由两块平板电极组成。第一平板电极对贴在第一发电通道与磁场平行的内壁上；第二平板电极对贴在第二发电通道与磁场平行的内壁上；第三平板电极对贴在第三发电通道与磁场平行的内壁上。三对平板电极采用导电材料制作。
第一平板电极对由第一电极和第二电极组成；第二平板电极对由第三电极和第四电极组成；第三平板电极对由第五电极和第六电极组成。第一平板电极对、第二平板电极对和第三平板电极对向通道内的一面与液态金属接触，该三对平板电极贴在发电通道内壁的一面连接有导线，导线穿出发电通道壁面伸出发电通道外。从第一平板电极对的第一电极穿出的导线和相邻的第二平板电极对的第三电极穿出的导线连接，从第二平板电极对的第四电极穿出的导线和与其相邻的第三平板电极对的第六电极、穿出的导线连接，从第三平板电极对第五电极穿出的导线和从第一平板电极对的第二电极穿出的导线之间连接有外负载，如此组成第一平板电极对第二电极、液态金属、第一平板电极对第一电极、第二平板电极对第三电极、液态金属、第二平板电极对第四电极、第三平板电极对第五电极、液态金属、第三平板电极对第六电极的电流导通路径。
当往复外力，如波浪力，推动液态金属沿入口段、第一发电通道、第一过渡段、第二发电通道、第二过渡段、第三发电通道、出口段往复流动，在第一发电通道、第二发电通道和第三发电通道内切割磁力线，产生垂直于液态金属流动方向和磁场方向的感生电动势。相邻发电通道内液态金属流动速度相等方向相反、磁场大小相等方向相同，产生大小相等方向相反的感生电动势，通过所述的电流导通路径输出电能。
所述的液态金属为低熔点金属或合金。所述的低熔点金属或合金是指熔点低于232℃的易熔金属或合金。
本发明单管多段液态金属磁流体发电机的输出电压为UL＝3Bubk，B为外加磁场强度，u为发电通道内液态金属的平均速度，b为电极间距，a为电极宽度，即有效磁极间距，L为电极长度，σ为液态金属电导率，RL为负载电阻，Rg为发电机内阻，k＝RL/(RL+Rg)为负载系数。不考虑电极压降，这种三个发电通道的单管多段液态金属磁流体发电机的输出电压为单通道发电机的3倍。
若发电通道个数为n，n≥1，过渡段个数为n-1，则输出电压UL＝nBubk。当n＝2m-1、m≥1，m为整数，即发电通道个数n为奇数，进出口液态金属流的方向相同，即液态金属为近似直线形驱动；当n＝2m、m≥1，即发电通道个数n为偶数，进出口液态金属流的方向相反，即液态金属为近似U形驱动。可根据不同应用场合和需要进行设计。
可见，本发明采用利用过渡段连通的单管多段的液态金属磁流体发电机结构，相邻发电通道内液态金属的流动速度大小相等方向相反、在简单的单方向均匀磁场下，产生大小相等方向相反的感生电动势，相邻发电通道串联，连接负载输出电能，提高了发电机的输出电压，即降低了由大电流、低电压的交流电到稳定可用电能转换的难度。
并且，本发明中只需应用简单的两极磁体来提供单方向的均匀磁场即可，降低了磁体的设计和加工难度，可在一定程度上减少装置造价。
另外，本发明中各发电单元内液态金属流动速度大小相等、磁场大小相等方向相同，没有多个发电通道并联布置电路串联的输出非均匀性问题。
附图说明
图1为本发明具体实施例单管多段液态金属磁流体发电机三维示意图，图中：1入口段、2出口段、3-1第一发电通道、3-2第一电极、3-3第二电极、4-1第二发电通道、4-2第三电极、4-3第四电极、5-1第三发电通道、5-2第五电极、5-3第六电极、6第一过渡段、7第二过渡段、8液态金属；
图2a为本发明具体实施例单管多段液态金属磁流体发电机正视图；
图2b为本发明具体实施例单管多段液态金属磁流体发电机俯视图；
图3a为本发明具体实施例单管多段液态金属磁流体发电机直线型结构示意图，图中：3第一发电段；
图3b为本发明具体实施例单管多段液态金属磁流体发电机U型结构示意图，图中：3第一发电段。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明实施例单管多段液态金属磁流体发电机的三维示意图，图2a为本发明实施例单管多段液态金属磁流体发电机的正视图，图2b为本发明实施例单管多段液态金属磁流体发电机的俯视图。如图1、图2a和图2b所示，第一发电通道3-1和第二发电通道4-1通过第一过渡段6连通，第二发电通道4-1和第三发电通道5-1通过第二过渡段7连通，第一发电通道3-1的另一端和入口段1连通，第三发电通道5-1的另一端和出口段2连通，入口段1、第一发电通道3-1、第一过渡段6、第二发电通道4-1、第二过渡段7、第三发电通道5-1和出口段2组成一个通道连通空间，该通道连通空间内充满液态金属8，液态金属8在通道连通空间内沿入口段1、第一发电通道3-1、第一过渡段6、第二发电通道4-1、第二过渡段7、第三发电通道5-1、出口段2往复流动。
第一发电通道3-1、第二发电通道4-1和第三发电通道5-1上下平行布置，并依次垂直布置于单方向的均匀磁场下。第一发电通道3-1、第二发电通道4-1和第三发电通道5-1之间的距离相等。三个发电通道的壁面均采用绝缘材料制作。
第一过渡段6和第二过渡段7在XZ平面上的截面均为U形。入口段1、第一发电通道3-1、第一过渡段6、第二发电通道4-1、第二过渡段7、第三发电通道5-1和出口段3在垂直于液态金属8流动方向上的通道连通空间截面均为矩形，且矩形的长和宽相等。入口段1、出口段2、第一过渡段6和第二过渡段7的壁面均采用绝缘材料制作。
第一平板电极对由第一电极3-2和第二电极3-3组成；第二平板电极对由第三电极4-2和第四电极4-3组成；第三平板电极对由第五电极5-2和第六电极5-3组成。第一平板电极对3-2、3-3贴在第一发电通道3-1与磁场平行的内壁上；第二平板电极对4-2、4-3贴在第二发电通道4-1与磁场平行的内壁上；第三平板电极对5-2、5-3贴在第三发电通道5-1与磁场平行的内壁上。三对平板电极采用导电材料制作。第一平板电极对3-2、3-3、第二平板电极对4-2、4-3和第三平板电极对5-2、5-3面向通道内的一面与液态金属8接触，该三对平板电极贴在发电通道内壁的一面连接有导线。导线穿出发电通道壁面伸出发电通道外。从第一平板电极对的第一电极3-2穿出的导线与相邻的第二平板电极对的第三电极4-2穿出的导线连接，从第二平板电极对的第四电极4-3穿出的导线和与其相邻的第三平板电极对的第六电极5-3穿出的导线连接，从第三平板电极对第五电极5-2穿出的导线和从第一平板电极对的第二电极3-3穿出的导线之间连接有外负载，如此组成第一平板电极对第二电极3-3、液态金属8、第一平板电极对第一电极3-2、第二平板电极对第三电极4-2、液态金属8、第二平板电极对第四电极4-3、第三平板电极对第五电极5-3、液态金属8、第三平板电极对第六电极5-2的电流导通路径。
当往复外力，如波浪力，推动液态金属8沿入口段1、第一发电通道3-1、第一过渡段6、第二发电通道4-1、第二过渡段7、第三发电通道5-1、出口段2往复流动，在第一发电通道3-1、第二发电通道4-1和第三发电通道5-1内切割磁力线，产生垂直于液态金属流动方向和磁场方向的感生电动势。相邻发电通道内液态金属8流动速度相等方向相反，磁场大小相等方向相同，产生大小相等方向相反的感生电动势，通过所述的电流导通路径输出电能。
所述的液态金属8为低熔点金属或合金。所述的低熔点金属或合金是指熔点低于232℃的易熔金属或合金。
本发明单管多段液态金属磁流体发电机的输出电压为UL＝3Bubk，B为外加磁场强度，u为发电通道内液态金属的平均速度，b为电极间距，a为电极宽度，即有效磁极间距，L为电极长度，σ为液态金属电导率，RL为负载电阻，Rg为发电机内阻，k＝RL/(RL+Rg)为负载系数。不考虑电极压降，这种三个发电通道的单管多段液态金属磁流体发电机的输出电压为单通道发电机的3倍。
若发电通道个数为n，n≥1，过渡段个数为n-1，则输出电压UL＝nBubk。理论上，如果磁体提供的均匀磁场气隙足够大，发电通道个数n可以为任意正整数。图3a为本发明实施例单管多段液态金属磁流体发电机直线型结构示意图。第一发电通道3-1和第一平板电极对3-2、3-3组成第一发电段3，如图3a所示。当n＝2m-1、m≥1，m为整数，即发电通道个数n为奇数，进出口液态金属流的方向相同，即液态金属为近似直线形驱动。图3b为本发明实施例单管多段液态金属磁流体发电机U型结构示意图。如图3b所示，当n＝2m、m≥1，即发电通道个数n为偶数，进出口液态金属流的方向相反，即液态金属为近似U形驱动。可根据不同应用场合和需要进行设计。
假设a＝5mm，b＝50mm，L＝100mm，B＝1T，u＝20m/s，液态金属电导率σ＝3.4×106S/m，当n＝5时，发电机为直线型结构，若不考虑电极压降和流动损失等因素，则这种5个发电通道的单管多段液态金属磁流体发电机的空载电压为U5＝5V，是单通道发电机空载电压的5倍；当n＝6时，发电机为U型结构，若不考虑电极压降和流动损失等因素，则这种6个发电通道的单管多段液态金属磁流体发电机的空载电压为U6＝6V，是单通道发电机空载电压的6倍。

Claims (6)

1.一种单管多段液态金属磁流体发电机，其特征在于：所述的发电机由入口段(1)，出口段(2)，第一发电通道(3-1)、第一平板电极对(3-2、3-3)，第二发电通道(4-1)、第二平板电极对(4-2、4-3)，第三发电通道(5-1)、第三平板电极对(5-2、5-3)，第一过渡段(6)，以及第二过渡(7)段组成；第一发电通道(3-1)，第二发电通道(4-1)和第三发电通道(5-1)垂直布置于单方向的均匀磁场下；第一发电通道(3-1)和第二发电通道(4-1)通过第一过渡段(6)连通，第二发电通道(4-1)和第三发电通道(5-1)通过第二过渡段(7)连通，第一发电通道(3-1)的另一端和入口段(1)连通，第三发电通道(5-1)的另一端和出口段(2)连通；入口段(1)、第一发电通道(3-1)、第一过渡段(6)、第二发电通道(4-1)、第二过渡段(7)、第三发电通道(5-1)和出口段(2)组成一个通道连通空间，液态金属(8)在通道连通空间内往复流动，在第一发电通道(3-1)、第二发电通道(4-1)和第三发电通道(5-1)内切割磁力线，感生电动势。
2.按照权利要求1所述的单管多段液态金属磁流体发电机，其特征在于：所述的第一发电通道(3-1)、第二发电通道(4-1)和第三发电通道(5-1)上下平行布置，并依次垂直布置于单方向的均匀磁场下；第一发电通道(3-1)、第二发电通道(4-1)和第三发电通道(5-1)之间的距离相等；三个发电通道的壁面均采用绝缘材料制作。
3.按照权利要求1所述的单管多段液态金属磁流体发电机，其特征在于：所述的第一过渡段(6)和第二过渡段(7)为U形结构；入口段(1)、第一发电通道(3-1)、第一过渡段(6)、第二发电通道(4-1)、第二过渡段(7)、第三发电通道(5-1)和出口段(3)在垂直于液态金属(8)流动方向上的连通空间截面均为矩形，且矩形的长和宽相等；入口段(1)、出口段(2)、第一过渡段(6)和第二过渡段(7)的壁面均采用绝缘材料制作。
4.按照权利要求1所述的单管多段液态金属磁流体发电机，其特征在于：所述的第一平板电极对由第一电极(3-2)和第二电极(3-3)组成；第二平板电极对由第三电极(4-2)和第四电极(4-3)组成；第三平板电极对由第五电极(5-2)和第六电极(5-3)组成；第一平板电极对(3-2、3-3)贴在第一发电通道(3-1)与磁场平行的内壁上；第二平板电极对(4-2、4-3)贴在第二发电通道(4-1)与磁场平行的内壁上；第三平板电极对(5-2、5-3)贴在第三发电通道(5-1)与磁场平行的内壁上；三对平板电极对采用导电材料制作；第一平板电极对(3-2、3-3)、第二平板电极对(4-2、4-3)和第三平板电极对(5-2、5-3)面向发电通道的一面与液态金属(8)接触，该三对平板电极贴在发电通道内壁的一面连接有导线；导线穿出发电通道壁面伸出发电通道外；从第一平板电极对的第一电极(3-2)穿出的导线与相邻的第二平板电极对的第三电极(4-2)穿出的导线连接，从第二平板电极对的第四电极(4-3)穿出的导线和与其相邻的第三平板电极对的第六电极(5-3)穿出的导线连接，从第三平板电极对第五电极(5-2)穿出的导线和从第一平板电极对的第二电极(3-3)穿出的导线之间连接有外负载，如此组成第一平板电极对第二电极(3-3)、液态金属(8)、第一平板电极对第一电极(3-2)、第二平板电极对第三电极(4-2)、液态金属(8)、第二平板电极对第四电极(4-3)、第三平板电极对第五电极(5-3)、液态金属(8)、第三平板电极对第六电极(5-2)的电流导通路径。
5.按照权利要求1所述的单管多段液态金属磁流体发电机，其特征在于：所述的液态金属(8)沿入口段(1)、第一发电通道(3-1)、第一过渡段(6)、第二发电通道(4-1)、第二过渡段(7)、第三发电通道(5-1)、出口段(2)往复流动，在第一发电通道(3-1)、第二发电通道(4-1)和第三发电通道(5-1)内切割磁力线，产生垂直于液态金属(8)流动方向和磁场方向的感生电动势；相邻发电通道内液态金属(8)流动速度相等方向相反，磁场大小相等方向相同，产生大小相等方向相反的感生电动势。
6.按照权利要求1所述的单管多段液态金属磁流体发电机，其特征在于：所述的液态金属(8)为低熔点金属或合金；所述的低熔点金属或合金是指熔点低于232℃的易熔金属或合金。
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