CN105763022A - 鳐鱼式液态金属磁流体发电装置及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了鳐鱼式液态金属磁流体发电装置及发电方法，该装置包括设于水面的表面呈鳐鱼式的柔性外壳，柔性外壳内部为空腔，在柔性外壳上嵌装有至少一个发电单元，发电单元内部为发电通道，与空腔联通，液态金属充满空腔，每个发电单元包括分别设在发电通道内壁上下两个表面的磁体，柔性外壳在波浪带动下发生形变，液态金属运动，通过发电单元时切割磁体产生的磁力线进行发电，由设于发电通道内壁的电极输出电能。本发明采用鳐鱼式的柔性外壳，发电装置整体受力，应力集中小，能很好的吸收波浪能，同时，具备较强的抗风浪能力，整体故障率低，维护方便；直接发电方式省略了其他发电方式的转化环节，提高了整体的发电效率，减少了故障发生率。

Description

鳐鱼式液态金属磁流体发电装置及发电方法

技术领域

本发明涉及海洋波浪能发电技术，特别是鳐鱼式液态金属磁流体发电装置及发电方法。

背景技术

随着经济的快速发展，资源消耗急剧增加，能源供需矛盾日渐突出。海洋面积占地球总面积的71％，太阳到达地球的能量大部分落在海洋上空和海水中，部分能量通过各种物理或化学过程以波浪、海流、潮汐、温差等形式依附于海水中。海洋能中可利用的能量大大超过了目前全球能源需求的总和，且为清洁的可再生能源。海洋能的科学开发和利用，对于调整能源结构、缓解能源短缺和环境污染问题具有重要意义。

波浪能作为海洋能中的一种，蕴藏着巨大的能量。据计算，海洋波浪能约为每平方千米，全球波浪能功率超过了700亿kW，其中可开发利用的为20亿-30亿kW，波浪中蕴藏的巨大能源，使得各国都十分重视利用这种能源作为发电的动力。波浪发电原理主要利用波浪运动的位能差，往复力或浮力产生动力。常用的形式有振荡水柱式、振荡浮子式、摆式、鸭式、筏式、收缩坡道式、蚌式等。中间转换系统是将采集装置的机械能转换成电能，主要有空气轮机、水轮机、液压系统、机械系统，发电系统则是旋转发电机。

在现有的“筏式”波浪能采集装置中，苏格兰海洋电力传输公司开发了一种称作海蛇(pelamis)的筏式波浪能转换器，其750kW样品模型在2004年8月通过电缆成功进行电力供应。“海蛇号”成为世界上第一台并网电网发电的离岸式波浪能发电装置，此后，海蛇号第二代产品P2，自2010年起，在奥克尼群岛海域也开始海试。海蛇号的出现，将当时的全球海浪发电效率发挥了极致水平。然而，巨蟒的出现使得海蛇号的步伐又前进了一步。和海蛇一样，巨蟒也是有采集和转换两大系统组成。与海蛇不同的是，巨蟒通身使用橡胶制成，由于橡胶具有良好的伸缩性，它捕获海浪能的本领更强。巨蟒和海蛇一样，都是通过脉冲水流能量传递到另一端的涡轮发动机上，进而产生电能。

除上述波浪能发电装置外，还有一种液态金属磁流体发电装置。液态金属磁流体(liquidmetalmagnetohydrodynamic,LMMHD)波浪能直接发电，与传统波浪能发电方式以及传统液态金属磁流体方式完全不同的的新概念。它采用高效的液态金属磁流体发电技术，海洋波浪能直接驱动置于磁场中发电通道内部的液态金属做往复运动，从而在发电通道内部产生感生电动势，连接上闭式回路负载后输出电能。系统无运动部件，系统简单、可靠，维护简单。

液态金属磁流体发电有多种结构形式，荷兰研制的阿基米德波浪摆是世界上第一台波浪能直接转换发电装置。美国专利5136173公开了一种磁流体波浪能直接发电系统，系统采用海水作为工作流体，效率较低。美国专利014640A1也公开了另一种液态金属磁流体发电装置，该装置主要利用波浪的垂直运动，利用浮子的上下运动进行发电。

中国有公开了利用液态金属磁流体直接发电单元装置，由U型管道、磁体磁流体电极、弹性容器和刚性容器组成。该装置只能利用波浪能的是能，抗风浪冲击能力差。

中国还有公布了两种液态金属磁流体直接发电装置，此两种装置可同时利用波浪能的动能和势能。两种装置都以刚性机构为主体。

现有技术涉及的发电单元通常结构复杂，存在着波浪涌动能量利用率、整体装置故障率高的问题。

发明内容本发明结合其他发电装置的优势，提出了一种采用漂浮或者悬浮式、装置主体呈鳐鱼形状的鳐鱼式液态金属磁流体发电装置。

鳐鱼式液态金属磁流体发电装置，包括设于水面的表面呈鳐鱼式的柔性外壳，柔性外壳内部为空腔，在柔性外壳上嵌装有至少一个发电单元，发电单元内部为发电通道，与空腔联通，液态金属充满空腔，每个发电单元包括分别设在发电通道内壁上下两个表面的磁体，柔性外壳在波浪带动下发生形变，液态金属运动，通过发电单元时切割磁体(磁铁)产生的磁力线进行发电，由设于发电通道内壁的电极输出电能，柔性外壳在波浪带动下发生形变，液态金属运动，通过发电单元时切割磁体产生的磁力线进行发电，由设于发电通道内壁的电极输出电能，每个发电单元中上下设置的磁体对应设置；鳐鱼式柔性外壳悬浮在水面，能捕获波浪能进行利用，工作过程中柔性外壳整体受力，应力集中小，可以“随波逐流”，能优异的吸收波浪能，并在工作的同时具有很强的自身抗风浪能力，故障率低，维护方便，直接发电方式省略了其他发电方式的转化环节，提高了整体的发电效率，减少了故障发生率。

进一步地，所述柔性外壳的底部通过锚泊系统进行锚固。

进一步地，所述锚泊系统为与柔性外壳底部相连的铁链。

进一步地，所述柔性外壳的材料为抗疲劳、耐腐蚀材料并具有伸缩性。

进一步地，所述柔性外壳的材料为橡胶或硅胶材料，是多孔的弹性材料，以保证柔性外壳密度小，能够使整个装置悬浮或漂浮在海水当中。

进一步地，所述锚泊系统的底部固定于河床或海床上，亦可固定于浮动平台上。

进一步地，所述液态金属低熔点合金、金属或者纳米金属导电溶液，例如Nak78、U47、Hg、镓铟锡合金、纳米银溶液等。

进一步地，所述锚泊系统与柔性外壳之间设有弹性装置，通过弹性装置的设置，在波浪来袭时，进一步加强柔性外壳的波动，产生更多的电能。

鳐鱼式液态金属磁流体发电装置的发电方法，具体步骤如下：

1)将锚泊系统的底部固定于河床或海床或浮动平台上，使得发电装置处于漂浮或悬浮状态；

2)波浪发生时，柔性外壳可以随着波浪发生波动或涌动，同时挤压内部液态金属运动，切割磁体产生的磁力线进行发电，由设于发电通道内壁的电极输出电能。

本发明的工作原理是：发电通道位于发电单元中部，磁体安装在发电通道内壁，磁场垂直于液态金属流动方向，电极安装在发电通道的内侧或者外侧，将电力进行输出。当波浪经过该发电装置时，柔性外壳因为波浪的作用，发生自身变形和位移变形，两种变形促使内部的液体金属发生内部流动，在通过发电通道的时候，切割磁力线，进而产生感应电动势，电力由发电通道内壁的电极引出。

本发明的有益效果是：

1)采用鳐鱼式的柔性外壳，发电装置整体受力，应力集中小，能较好的吸收波浪能，能量利用率高；同时，具备较强的抗风浪能力，整体故障率低，维护方便；直接发电方式摒弃了其他发电方式的转化环节，提高了整体的转化效率，减少了故障环节。

2)柔性外壳，在波浪作用下，能较好的实现自身变形和位移变形，有效的促进内部液态金属的流动。

3)锚固系统的设置，便于更好地限定发电装置在水面的运动范围。

附图说明

图1为本发明的整体结构。

图2为本发明装置在捕获波浪能时的运行状态简图。

图3为鳐鱼式液态金属磁流体发电装置三维图。

图4为鳐鱼式液态金属磁流体发电装置工作状态三维图。其中1.锚泊系统2.液态金属3.柔性外壳4.发电单元5.电极6.磁体7.功率输出系统8.发电通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1和图3所示，发电装置整体与海平面平行，发电装置包括设于水面的表面呈鳐鱼式的柔性外壳3，柔性外壳3内部为空腔，在柔性外壳3上嵌装有至少一个发电单元4，发电单4元内部为发电通道8，与空腔联通，液态金属充满空腔，每个发电单元4包括分别设在发电通道8内壁上下两个表面的磁体6，柔性外壳3在波浪带动下发生形变，液态金属运动，通过发电单元4时切割磁体6产生的磁力线进行发电，由设于发电通道8内壁的电极5输出电能，发电通道8与海浪方向相同，柔性外壳3外形为鳐鱼形，采用高伸缩性，高耐腐蚀，高强度，抗疲劳材料，如橡胶或硅胶等材料。锚泊系统1位于柔性外壳3两端，将整个发电装置固定于海床或船只、浮台上，确保发电装置能够抵抗风浪的破坏。

液态金属磁流体发电机位于整个柔性外壳3的中部，液态金属为低熔点合金、金属或者纳米金属导电溶液，例如Nak78、U47、Hg、镓铟锡合金、纳米银溶液等。磁体6安装在发电通道外壁，磁场垂直于液态金属流动方向，电极5安装在发电通道方形截面内壁，将电力进行输出。

当波浪经过该发电装置时，柔性外壳3因为波浪的作用，发生自身变形和位移变形，两种变形促使内部的液体金属发生内部流动，在通过发电通道的时候，切割磁力线，进而产生感应电动势，电力由发电通道8内壁的电极5引出。

柔性外壳3为本发明的主体结构，该结构通主要通过锚泊系统实现支撑，用于将该发电装置固定于海床上，该发电装置亦可固定于海洋平台或者船只周围。柔性外壳3内部充满液态金属，柔性外壳3中部为多个液态金属磁流体发电机，发电机包括磁体6，电极5，发电通道8，功率输出系统7，即由液态金属与磁铁电极配合形成发电单元4，共均匀设置多个发电单元4。另外，没有波浪时，发电装置可以漂浮或者悬浮在海洋之中。

当海浪涌动时，本发明装置即会处于图2和图4状态下，首先柔性壳体3顺着波浪进行摆动或者浮动，柔性壳体发生塑性和位移变形，对内部的液体金属进行压缩扩张，液体金属在柔性壳体3内部发生流动，其流动过程中，经过方形或其他形状的发电通道，发电通道8内部充满磁体6产生的磁场，流动过程中切割磁力线，进而产生感应电动势，通过电极5和功率输出系统进行电力输出。波浪起伏不断，液体金属便不断流动通过发电通道，发电通道为是导电的。

根据各水域海况的不同，确定各个参数对发电装置进行适应性设计。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.鳐鱼式液态金属磁流体发电装置，其特征在于，包括设于水面的表面呈鳐鱼式的柔性外壳，柔性外壳内部为空腔，在柔性外壳上嵌装有至少一个发电单元，发电单元内部为发电通道，与空腔联通，液态金属充满空腔，每个发电单元包括分别设在发电通道内壁上下两个表面的磁体，柔性外壳在波浪带动下发生形变，液态金属运动，通过发电单元时切割磁体产生的磁力线进行发电，由设于发电通道内壁的电极输出电能。

2.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述柔性外壳的底部通过锚泊系统进行锚固。

3.如权利要求2所述的发电装置，其特征在于，所述锚泊系统为与柔性外壳底部相连的铁链。

4.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述柔性外壳的材料为抗疲劳、耐腐蚀材料并具有伸缩性。

5.如权利要求1或5所述的发电装置，其特征在于，所述柔性外壳的材料为橡胶或硅胶材料，是多孔的弹性材料。

6.如权利要求2所述的发电装置，其特征在于，所述锚泊系统的底部固定于河床或海床或者船只上。

7.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述液态金属低熔点合金、金属或者纳米金属导电溶液。

8.如权利要求1-7中任一项所述的鳐鱼式液态金属磁流体发电装置的发电方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)将锚泊系统的底部固定于河床或海床或浮动平台上，使得发电装置处于漂浮或悬浮状态；

2)波浪发生时，柔性外壳可以随着波浪发生波动或涌动，同时挤压内部液态金属运动，切割磁体产生的磁力线进行发电，由设于发电通道内壁的电极输出电能。