CN106357084B - 一种双通道液态金属磁流体发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双通道液态金属磁流体发电机，其包括主液压缸组件和至少一套发电单元，所述发电单元包括上活塞组件、上过渡段、下过渡段、下活塞组件和有效磁流体发电段，所述上活塞组件和下活塞组件分别通过上连接管和下连接管与所述主缸体相连通，所述有效磁流体发电段包括第一磁流体发电通道、第二磁流体发电通道、磁体、第一电极对、第二电极对和绝缘板，所述上活塞组件、上过渡段、第一磁流体发电通道、第二磁流体发电通道、下过渡段和下活塞组件之间形成一个密闭的充满液态金属的连通空间。上述双通道液态金属磁流体发电机不仅降低了发电机的制作成本；而且减少了磁体使用数量、进一步降低了发电机的重量和体积，使发电机结构更紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电装置，尤其是涉及一种双通道液态金属磁流体发电机。
背景技术
新型液态金属磁流体(Liquid Metal Magnetohydrodynamics，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。
液态金属发电工质是液态金属磁流体发电机的关键，其化学稳定性、熔点、密度和电导率等物化特性在很大程度上影响发电机结构和运行性能。液态金属可选择汞、U47合金和NaK合金，但是汞为剧毒金属，U47合金常温下为固态，Nak合金遇水会剧烈爆炸，三种金属或合金均存在应用于工程实际不可避免的缺点。
公开号为CN103199670A,发明名称为《一种以低熔点镓合金为发电工质的磁流体发电机》的中国专利，提出以低熔点镓合金为发电工质的磁流体发电机，镓合金在常温下为液态，无毒无污染、化学性能稳定，认为目前最适合作为液态金属磁流体发电机的发电工质。公开号为CN103184381A，发明名称为《一种液态镓合金及其配制方法》的中国专利，提出了一种液态镓合金及其配制方法，镓合金由镓、铟、锡、锌四种金属以一定比例配制而成。以低熔点镓合金为发电工质的磁流体发电机功率密度大、系统效率高、安装简单、体积较小、维护方便。但存在的问题是镓合金市场售价较高，而发电机内液态金属用量较大，因此，镓合金发电工质增加了液态金属磁流体发电机的制作成本，而发电机的造价将直接影响发电机的市场竞争力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双通道液态金属磁流体发电机，其通过优化发电机结构，减少镓合金用量，从而降低发电机制作成本，以解决现有技术中液态金属磁流体发电机存在的镓合金用量大、发电机制作成本高的缺点。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种双通道液态金属磁流体发电机，其包括，
主液压缸组件，包括主缸体和可移动设置于所述主缸体内的主活塞，
至少一套发电单元，所述发电单元包括上活塞组件、上过渡段、下过渡段、下活塞组件和有效磁流体发电段，所述上活塞组件和下活塞组件分别通过上连接管和下连接管与所述主缸体内主活塞的两侧相连通，所述有效磁流体发电段包括第一磁流体发电通道、第二磁流体发电通道、磁体、第一电极对和第二电极对，所述第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道穿过所述磁体的磁孔设置，所述第一电极对和第二电极对分别设置于第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道的内壁，所述上过渡段和下过渡段对称连接在所述第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道的两端，所述上过渡段的另一端与所述上活塞组件连接，所述下过渡段的另一端与所述下活塞组件连接，
所述上活塞组件、上连接管、主缸体以及主活塞形成一个密闭的第一连通空间，所述下活塞组件、下连接管、主缸体以及主活塞形成另一个密闭的第一连通空间，所述第一连通空间内充满液压油，所述上活塞组件、上过渡段、第一磁流体发电通道、第二磁流体发电通道、下过渡段和下活塞组件之间形成一个密闭的第二连通空间，所述第二连通空间内充满液态金属。
特别地，所述磁体采用两极磁体，所述两极磁体均采用永磁体，两者之间具有气隙，所述气隙内产生单方向的均匀磁场。
特别地，所述第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道平行布置，垂直布置于磁体的磁孔内，所述第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道内的液态金属流速大小相等方向相同，所述第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道的壁面均采用绝缘材料制作。
特别地，所述第一电极对和第二电极对均采用导电材料制成，且均由两块平板电极组成，所述第一电极对贴在第一磁流体发电通道与所述磁体的磁场平行的内壁上；所述第二电极对贴在第二磁流体发电通道与所述磁体的磁场平行的内壁上。
特别地，所述上过渡段采用上大下小的锥形结构，所述下过渡段采用上小下大的锥形结构，所述上过渡段和下过渡段均采用绝缘材料制成。
特别地，所述上活塞组件包括上活塞缸和上活塞，所述下活塞组件包括下活塞缸和下活塞，所述上过渡段位于有效磁流体发电段与上活塞缸之间，所述下过渡段位于有效磁流体发电段与下活塞缸之间；上过渡段的上端连接上活塞缸，上过渡段的下端连接第一磁流体发电通道、第二磁流体发电通道和绝缘板；下过渡段的下端连接下活塞缸，下过渡段的上端连接第一磁流体发电通道、第二磁流体发电通道和绝缘板。
特别地，所述上活塞缸和下活塞缸均为圆柱形，所述上活塞缸内同轴布置有能够上下移动的上活塞，所述下活塞缸内同轴布置有能够上下移动的下活塞；所述上活塞将上活塞缸分为上、下两个空间，所述下活塞将下活塞缸分成上、下两个空间；所述上活塞、上活塞缸的下部空间、上过渡段、第一磁流体发电通道、第二磁流体发电通道、下过渡段、下活塞缸的上部空间及下活塞形成第二连通空间，所述第二连通空间内充满液态金属，所述上活塞缸、下活塞缸、上活塞和下活塞均采用绝缘材料制成。
特别地，所述液态金属为熔点低于232℃的易熔金属或合金。
特别地，所述上过渡段的截面自上而下由圆形变为矩形，所述下过渡段的截面自下而上由圆形变为矩形。
当外力，如汽车内燃力或波浪力推动主活塞向下运动时，主缸体下部空间的液压油受到挤压，并通过下连接管进入下活塞缸下部空间，下活塞缸下部空间的液压油逐渐增多，推动下活塞向上运动并挤压下活塞缸上部空间的液态金属发电工质，从而液态金属通过下过渡段进入第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道，在第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道内分别切割磁力线，感生电动势，液态金属在第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道内的速度大小相等、方向相同，设速度大小为v，由于液态金属为不可压缩流体，上活塞与下活塞的运动速度大小相等、方向相同，从而上活塞缸上部空间的液压油通过上连接管进入主缸体上部空间。反之亦然。在往复外力作用下，液态金属在磁流体发电通道和内往复流动，不断切割磁力线，产生交流电能，通过外负载和电能变换系统输出电能。
本发明的有益效果为，与现有技术相比所述双通道液态金属磁流体发电机可大大减少液态金属镓合金的用量，即降低了发电机的制作成本；而且减少了磁体使用数量、进一步降低了发电机的重量和体积，使发电机结构更紧凑，多发电单元时效果显著。
附图说明
图1是本发明具体实施方式1提供的双通道液态金属磁流体发电机的立体结构示意图；
图2是本发明具体实施方式1提供的双通道液态金属磁流体发电机的有效磁流体发电段的立体结构示意图；
图3是本发明具体实施方式1提供的双通道液态金属磁流体发电机的主视图；
图4是本发明具体实施方式2提供的双通道液态金属磁流体发电机的主视图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一：
请参阅图1至图3所示，本实施例中，一种双通道液态金属磁流体发电机包括主液压缸1、主活塞杆2、主活塞3、液压油4、上连接管5-1、下连接管5-2和一套发电单元6组成，所述发电单元6包括上活塞缸6-1、上活塞6-2、上过渡段6-3、下过渡段6-4、下活塞6-5、下活塞缸6-6和有效磁流体发电段7，所述有效磁流体发电段7包括第一磁流体发电通道7-1、第二磁流体发电通道7-2、磁体7-3、第一平板电极对7-4、第二平板电极对7-5和绝缘板7-6。
所述第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2穿过磁体7-3的磁孔，所述上过渡段6-3和下过渡段6-4对称连接在有效磁流体发电段7两端，所述上过渡段6-3的另一端和上活塞缸6-1连接，所述下过渡段6-4的另一端和下活塞缸6-6连接；上活塞缸6-1内同轴布置有上活塞6-2，下活塞缸6-6内同轴布置有下活塞6-5；所述上活塞6-2、下活塞6-5、上活塞缸6-1、下活塞缸6-6、上过渡段6-3、下过渡段6-4，以及第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2形成一个密闭的第二连通空间，所述第二连通空间内充满液态金属8。主活塞杆2的一端和主活塞3固连，主活塞杆2的另一端从主液压缸1伸出；上活塞缸6-1通过上连接管5-1和主液压缸1连接，下活塞缸6-6通过下连接管5-2和主液压缸1连接，上活塞6-2、上活塞缸6-1、上连接管5-1、主液压缸1，以及主活塞3形成一个密闭的第一连通空间，所述第一连通空间内充满液压油4；下活塞缸6-6通过下连接管5-2和主液压缸1连接，上活塞缸6-1通过上连接管5-1和主液压缸1连接，下活塞6-5、下活塞缸6-6、下连接管5-2、主液压缸1，以及主活塞3形成另一个密闭的第一连通空间，所述第一连通空间内充满液压油4。
所述磁体7-3为两极磁体，可采用永磁体或其他形式的磁体，磁体7-3气隙内产生单方向的均匀磁场。
所述第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2平行布置，穿过磁体7-3气隙，垂直布置于单方向的均匀磁场下，第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2之间由绝缘板7-6隔离，第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2内液态金属流速大小相等方向相同，第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2壁面均采用绝缘材料制作。
所述第一平板电极对7-4、第二平板电极对7-5均由两块平板电极组成。第一平板电极对7-4贴在第一磁流体发电通道7-1与磁场平行的内壁上；第二平板电极对7-5贴在第二磁流体发电通道7-2与磁场平行的内壁上。所有平板电极采用导电材料制作。
所述上过渡段6-3位于有效磁流体发电段7与上活塞缸6-1之间，下过渡段6-4位于有效磁流体发电段7与下活塞缸6-6之间；上过渡段6-3的上端连接上活塞缸6-1，上过渡段6-3的下端连接第一磁流体发电通道7-1、第二磁流体发电通道7-2和绝缘板6；所述下过渡段6-4的下端连接下活塞缸6-6，下过渡段6-3的上端连接第一磁流体发电通道7-1、第二磁流体发电通道7-2和绝缘板6；从活塞缸端到有效磁流体发电段7端，所述上过渡段6-3和下过渡段6-4的截面从圆形变为矩形；均采用绝缘材料制作。
所述上活塞缸6-1和下活塞缸6-6均为圆柱形，上活塞缸6-1内同轴布置有能够上下移动的上活塞6-2，下活塞缸6-6内同轴布置有能够上下移动的下活塞6-5；上活塞6-2将上活塞缸6-1分为上、下两个空间，下活塞6-5将下活塞缸6-6分成上、下两个空间；上活塞6-2、下活塞6-5、上活塞缸6-1的下部空间、上过渡段6-3、第一磁流体发电通道7-1、第二磁流体发电通道7-2、下过渡段6-4、下活塞缸6-6上部空间形成一个密闭的第二连通空间，所述第二连通空间内充满液态金属8。上活塞缸6-1、下活塞缸6-6、上活塞6-2和下活塞6-5均采用绝缘材料制作。
所述液态金属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，如镓合金。
所述上连接管5-1位于上活塞缸6-1和主液压缸1之间，下连接管5-2位于下活塞缸6-6和主液压缸1之间，上连接管5-1和下连接管5-2的均为圆柱形，所述上连接管5-1和下连接管5-2的壁面采用绝缘材料制作。
当外力，如汽车内燃力或波浪力推动主活塞3向下运动时，主液压缸1下部空间的液压油4受到挤压，并通过下连接管5-2进入下活塞缸6-6的下部空间，下活塞缸6-6下部空间的液压油逐渐增多，推动下活塞6-5向上运动并挤压下活塞缸6-6上部空间的液态金属8发电工质，从而液态金属8通过下过渡段6-4进入第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2，在第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2内分别切割磁力线，感生电动势，液态金属8在第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2的速度大小相等、方向相同，设速度大小为v，由于液态金属8为不可压缩流体，上活塞6-2与下活塞6-5的运动速度大小相等、方向相同，从而上活塞缸6-1上部空间的液压油4通过上连接管5-1进入主液压缸1上部空间。反之亦然。在往复外力作用下，液态金属8在第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2内往复流动，不断切割磁力线，产生交流电能，通过外负载和电能变换系统输出电能。
实施例二：
请参阅图4所示，本实施例与实施例一的双通道液态金属磁流体发电机具有等效发电效果，两者的主要区别是：本实施例中所述包括双通道液态金属磁流体发电机采用双发电单元的形式，两个发电单元对称布置，其包括主液压缸1、主活塞杆2、主活塞3、液压油4、第一上连接管5-1-1、第一下连接管5-2-1、第二上连接管5-1-2、第二下连接管5-2-2、第一发电单元和第一发电单元，所述第一发电单元和第二发电单元的两端分别通过第一上连接管5-1-1、第一下连接管5-2-1、第二上连接管5-1-2和第二下连接管5-2-2对称连接于所述主液压缸1上。
所述第一发电单元包括第一上活塞缸6-1-1、第一上活塞6-2-1、第一上过渡段6-3-1、第一下过渡段6-4-1、第一下活塞6-5-1、第一下活塞缸6-6-1、第一磁流体发电通道7-1、第一磁体7-3-1。所述第二发电单元包括第二上活塞缸6-1-2、第二上活塞6-2-2、第二上过渡段6-3-2、第二下过渡段6-4-2、第二下活塞6-5-2、第二下活塞缸6-6-2、第二磁流体发电通道7-2、第二磁体7-3-2。
设实施例一和本实施例中主活塞杆2运动速度相同，设为vP，即发电机输入相同，设主液压缸1内的液压油4流量为2Q，则实施例一中上活塞缸6-1中的液态金属8流量为2Q，设上活塞6-2的运动速度为vx，则第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2内液态金属8的流量均为Q，设第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2内液态金属8的流速均为v。
本实施例中第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2与实施例一的尺寸完全相同，被安装于两个发电单元内，第一上活塞缸6-1-1和第二上活塞缸6-1-2内的液态金属8流量均为Q，活塞缸径向截面与实施例一中的完全相同，则第一上活塞6-2-1和第二上活塞6-2-2速度均为0.5vx，因此，第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2内液态金属8的流量和速度均为Q和v，本实施例与实施例一中磁流体发电通道内液态金属流速相同，发电通道尺寸相同，磁场大小相等，则两种发电机具有相同的发电效果。因本实施例中单个活塞缸内液态金属8流量和流速为实施例一中单个活塞缸内液态金属流量和流速的一半，因此，活塞缸的长度可设计为实施例一中的一半，但是发电单元个数是实施例一中发电单元的2倍，则活塞缸的总体积未改变。
设实施例一中第一磁流体发电通道7-1和第二磁流体发电通道7-2内的液态金属8体积均为VMHD、第一过渡段6-3和第二过渡段6-4内的液态金属体积均为Vg、第一活塞缸6-1和第二活塞缸6-2内的液态金属8体积和为2Vx，即液态金属8的总体积为V＝2VMHD+2Vg+2Vx，本实施例中比实施例一中多了两个过渡段、则液态金属总体积至少为V＝2VMHD+4Vg+2Vx。
可见ΔV≥2Vg，2Vg在液态金属总体积所占比重较大，因此，双通道液态金属磁流体发电机可大大减少液态金属8的用量，即降低了发电机的制作成本。
而且，本发明的双通道液态金属磁流体发电机减少了磁体7-3使用数量、进一步降低了发电机的重量和体积，使发电机结构更紧凑，多发电单元时效果显著。
以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种双通道液态金属磁流体发电机，其包括，
主液压缸组件，包括主缸体和可移动设置于所述主缸体内的主活塞，
至少一套发电单元，所述发电单元包括上活塞组件、上过渡段、下过渡段、下活塞组件和有效磁流体发电段，所述上活塞组件和下活塞组件分别通过上连接管和下连接管与所述主缸体内主活塞的两侧相连通，所述有效磁流体发电段包括第一磁流体发电通道、第二磁流体发电通道、磁体、第一电极对和第二电极对，所述第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道穿过所述磁体的磁孔设置，所述第一电极对和第二电极对分别设置于第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道的内壁，所述上过渡段和下过渡段对称连接在所述第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道的两端，所述上过渡段的另一端与所述上活塞组件连接，所述下过渡段的另一端与所述下活塞组件连接，
所述上活塞组件、上连接管、主缸体以及主活塞形成一个密闭的第一连通空间，所述下活塞组件、下连接管、主缸体以及主活塞形成另一个密闭的第一连通空间，所述第一连通空间内充满液压油，所述上活塞组件、上过渡段、第一磁流体发电通道、第二磁流体发电通道、下过渡段和下活塞组件之间形成一个密闭的第二连通空间，所述第二连通空间内充满液态金属；
所述磁体采用两极磁体，所述两极磁体均采用永磁体，两者之间具有气隙，所述气隙内产生单方向的均匀磁场。
2.根据权利要求1所述的双通道液态金属磁流体发电机，其特征在于，所述第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道平行布置，垂直布置于磁体的磁孔内，所述第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道内的液态金属流速大小相等方向相同，所述第一磁流体发电通道和第二磁流体发电通道的壁面均采用绝缘材料制作。
3.根据权利要求1所述的双通道液态金属磁流体发电机，其特征在于，所述第一电极对和第二电极对均采用导电材料制成，且均由两块平板电极组成，所述第一电极对贴在第一磁流体发电通道与所述磁体的磁场平行的内壁上；所述第二电极对贴在第二磁流体发电通道与所述磁体的磁场平行的内壁上。
4.根据权利要求1所述的双通道液态金属磁流体发电机，其特征在于，所述上过渡段整体采用上大下小的锥形结构，所述下过渡段整体采用上小下大的锥形结构，所述上过渡段和下过渡段均采用绝缘材料制成。
5.根据权利要求1所述的双通道液态金属磁流体发电机，其特征在于，所述上活塞组件包括上活塞缸和上活塞，所述下活塞组件包括下活塞缸和下活塞，所述上过渡段位于有效磁流体发电段与上活塞缸之间，所述下过渡段位于有效磁流体发电段与下活塞缸之间；上过渡段的上端连接上活塞缸，上过渡段的下端连接第一磁流体发电通道、第二磁流体发电通道和绝缘板；下过渡段的下端连接下活塞缸，下过渡段的上端连接第一磁流体发电通道、第二磁流体发电通道和绝缘板。
6.根据权利要求5所述的双通道液态金属磁流体发电机，其特征在于，所述上活塞缸和下活塞缸均为圆柱形，所述上活塞缸内同轴布置有能够上下移动的上活塞，所述下活塞缸内同轴布置有能够上下移动的下活塞；所述上活塞将上活塞缸分为上、下两个空间，所述下活塞将下活塞缸分成上、下两个空间；所述上活塞、上活塞缸的下部空间、上过渡段、第一磁流体发电通道、第二磁流体发电通道、下过渡段、下活塞缸的上部空间及下活塞形成第二连通空间，所述第二连通空间内充满液态金属，所述上活塞缸、下活塞缸、上活塞和下活塞均采用绝缘材料制成。
7.根据权利要求1所述的双通道液态金属磁流体发电机，其特征在于，所述液态金属为熔点低于232℃的易熔金属或合金。
8.根据权利要求4所述的双通道液态金属磁流体发电机，其特征在于，所述上过渡段的截面自上而下由圆形变为矩形，所述下过渡段的截面自下而上由圆形变为矩形。
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