CN106787072A - 一种海洋流体发电系统 - Google Patents

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张鸣
张一鸣
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田甲申
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Abstract

本发明涉及电磁发电技术领域，公开了一种海洋流体发电系统。其包括电磁发电装置：所述电磁发电装置包括圆柱型halbach永磁阵列以及设置在所述圆柱型halbach永磁阵列的内壁上且相对间隔设置的两块导电板；电能收集装置：所述电能收集装置包括储能单元，所述储能单元与所述导电板电连接。本发明所提供的海洋流体发电系统的发电效率高、解决了传统电源存储能量有限，不能长期使用，污染环境等问题，且能够在深海中使用。

Description

一种海洋流体发电系统
技术领域
本发明涉及电磁发电技术领域，特别是涉及一种海洋流体发电系统。
背景技术
随着社会的快速发展，人们对于能源的需求日益增大。对于地球而言，传统的能源如石油、煤炭等。由于传统的能源已经越来越稀少，同时传统的能源也存在着巨大的污染，寻找到替代能源已经是当务之急。随着科技的进步，人们发现自然界中存在着广大的环境能量，如太阳能、风能、振动能、海洋能等。如何对这些广泛存在的能量进行收集并加以利用就成为一个难题。近年来，随着海洋资源的研究力度的不断加大，应用在海底探测领域的设备也越来越多，且绝大多数为电子产品，此类电子产品的运行需要持续不断的电能供给，因此水下电源的研究越来越受到人们的重视。
用于海底探测的电子设备通常采用化学能电池供电，因为往海底架设输电线路显然是很难实现的。要想保证设备的持续运行，有些耗能高的设备需要不断更换电池，而在有些场合下更换电池的成本太高，甚至在某些场合下是不可能实现的。现有技术中也存在利用海洋自身的能源进行发电的装置。例如振动水柱式波浪发电装置，是目前研究和使用最多的波浪能装置，它利用压缩空气推动汽轮发电机组发电；水下压差型波浪装置，它利用波浪的波峰和波谷对转换装置的压力差工作；点吸收型波能转化装置，利用浮漂结构吸收波浪各个方向能量，进而转换为其他能量进行存储。
但现有技术中利用海洋自身能源进行发电的装置存在一些缺陷。即它们在将海洋能转换为电能的过程中，需要经历中间换能的步骤，例如需要先将波浪能转换为装置的机械能，再通过将装置的机械能转换为电能，进而实现能源的转换与存储。通常在能源转换过程中，会有大量的能量损耗，会降低能源转换效率，降低了发电效率。另外现有技术中的发电装置只能在浅海地区使用，并没有能在深海中进行发电的装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种用于海洋流体发电系统，该海洋流体发电系统能够将海洋能直接转换成电能，且发电效率较高，并能够在深海中使用。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种海洋流体发电系统，其包括：
电磁发电装置：所述电磁发电装置包括圆柱型halbach永磁阵列以及设置在所述圆柱型halbach永磁阵列的内壁上且相对间隔设置的两块导电板；
电能收集装置：所述电能收集装置包括储能单元，所述储能单元与所述导电板电连接。
其中，所述电磁发电装置还包括底座和支架，所述支架的一端与所述底座连接，所述圆柱型halbach永磁阵列与所述支架的另一端可转动式连接。
其中，所述圆柱型halbach永磁阵列的内径为5-15cm，所述圆柱型halbach永磁阵列的外径为8-20cm。
其中，所述圆柱型halbach永磁阵列采用多个扇形永磁磁块组合构成。
其中，所述圆柱型halbach永磁阵列采用多个梯形永磁磁块组合构成。
其中，所述圆柱型halbach永磁阵列由稀土永磁材料制成。
其中，所述导电板为铜板。
其中，所述导电板与所述储能单元之间还依次连接有整流单元和电流放大单元。
其中，在所述整流单元与所述电流放大单元之间还连接有第一稳压单元。
其中，在所述电流放大单元与所述储能单元之间还连接有第二稳压单元。
(三)有益效果
本发明提供的一种海洋流体发电系统，通过采用圆柱型halbach永磁阵列产生内部均匀同方向的磁感应强度，使得海水穿过圆柱型halbach永磁阵列的内部，海水流动切割磁感线运动而得到电能量并收集起来，该电磁发电装置将海洋能直接转换成电能，省去了中间换能的过程，提高了能源转换效率和发电效率，并能够在深海中使用，解决了传统电源存储能量有限，不能长期使用，污染环境等问题。该海洋流体发电系统可直接作为无电源系统的电源，也可作为辅助电源为电池充电，使得为深海电磁探测领域的电源自供电提供可能。
附图说明
图1为根据本发明的一种海洋流体发电系统的电磁发电装置的结构示意图；
图2为图1中的圆柱型halbach永磁阵列的磁力线分布的结构示意图；以及
图3是根据本发明的一种海洋流体发电系统的电能收集装置的结构示意图。
图中，1：圆柱型halbach永磁阵列；2：第一导电板；3：第二导电板；4：支架；5：底座；6:整流单元；7：第一稳压单元；8：电流放大单元；9：IGBT缓冲单元；10：防反二极管；11：储能单元；12：第二稳压单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1示出了根据本发明的一种海洋流体发电系统的一个优选实施例。如图所示，该海洋流体发电系统包括电磁发电装置和电能收集装置，其中，电磁发电装置包括圆柱型halbach永磁阵列1以及设置在该圆柱型halbach永磁阵列1的内壁上且相对间隔设置的两块导电板(第一导电板2和第二导电板3)，优选该导电板为铜板。电能收集装置包括储能单元11(例如蓄电池组)，该储能单元与导电板电连接，以将电磁发电装置产生的电能存储起来。使用时将该海洋流体发电系统放置于海底，并使得海水穿过该圆柱型halbach永磁阵列的内径，由于海水切割圆柱型halbach永磁阵列产生的磁感线因而产生电能量，通过电能收集装置将该电能量存储起来以便供给负载等使用。
由于圆柱型halbach永磁阵列具有良好的特性：内部磁感应强度均匀且单方向(如图2所示)，磁感应强度的幅值大小只受到阵列内外径比的影响，当取得合适磁体厚度时，内磁场磁感应强度可以超过永磁材料本身的剩磁值大小。漏磁小且不需要屏蔽装置。因此本发明所提供的海洋流体发电系统通过采用圆柱形halbach永磁阵列，有效地提高了海水切割磁感线产生电能的大小，因此提高了发电效率，且通过直接将海洋能转换成电能，无需中间转能过程，因而使得能源转换效率较高。
优选地，该电磁发电装置还包括底座5和支架4，其中，支架4的一端与底座5连接，圆柱型halbach永磁阵列1与支架4的另一端可转动式连接，因而使得该海洋流体发电系统能够根据洋流方向改变圆柱型halbach永磁阵列1的洞口方向，使得海水流动的方向与圆柱型halbach永磁阵列1的轴线平行，以提高所得电能的大小，从而进一步地提高发电效率。
具体地，电能等于电动势E和电流I的乘积，电动势E和电流I都与磁感应强度B成正比，则电能大小与磁感应强度B的平方成正比，所以增大磁感应强度B是提高收集电能的最有效的办法。因此为了收集尽可能多的电能，优选圆柱型halbach永磁阵列的内径为5-15cm，外径为8-20cm，以使内部产生尽可能大的磁感应强度B。
由于海水切割磁感线运动产生的感应电动势E为：
其中，L为第一导电板2和第二导电板3之间的间距，的大小为垂直海水切割磁感线方向的分量，为垂直于磁感应强度B方向切割磁感线的速度的分量。电流可通过下式计算：
其中，ρ为海水的电阻率，a为导电板的竖直高度，b为第一导电板2和第二导电板3的长度，即ab*L为有效切割磁感线的海水体积。因此对于圆柱形的halbach磁阵列来说，电能计算公式为：
P＝EI＝B2V2πr0 2h/ρ
其中，πr0 2h为有效切割磁感线的海水体积，相当于上面电动势和电流公式中的ab*L。
可选地，圆柱型halbach永磁阵列采用多个扇形永磁磁块组合构成，或者采用多个梯形永磁磁块组合构成。
优选地，该圆柱型halbach永磁阵列由稀土永磁材料制成。
如图3所示，该海洋流体发电系统的电能收集装置还包括连接在导电板(第一导电板2和第二导电板3)与储能单元11之间的整流单元6、两个第一稳压单元7、电流放大单元8和第二稳压单元12。其中，整流单元6采用三相二极管整流桥。每个第一稳压单元7由两对电阻、电容串联电路构成，实现稳压作用，第二稳压单元12由两对电阻、电容串联电路构成，实现稳压作用。电流放大单元8采用Boost变换电路，该Boost变换电路设置有由电容构成的IGBT缓冲单元9，以保护IGBT的安全运行。在储能单元11的正极还设置有防反二极管10。需要说明的是，在本发明的其它一些实施例中，该电能收集装置可仅包括连接在导电板与储能单元11之间的整流单元6和电流放大单元8。储能单元11可一边提高能量给负载，一边对圆柱型halbach永磁阵列1产生的电能存储起来。
综上所述，该海洋流体发电系统通过采用圆柱型halbach永磁阵列产生内部均匀同方向的磁感应强度，使得海水穿过圆柱型halbach永磁阵列的内部，海水流动切割磁感线运动而得到电能量并通过能量收集装置收集起来，该海洋流体发电系统将海洋能直接转换成电能，省去了中间换能的过程，提高了能源转换效率和发电效率，并能够在深海中使用，解决了传统电源存储能量有限，不能长期使用，污染环境等问题。该海洋流体发电系统可直接作为无电源系统的电源，也可作为辅助电源为电池充电，使得为深海电磁探测领域的电源自供电提供可能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海洋流体发电系统，其特征在于，包括：
电磁发电装置：所述电磁发电装置包括圆柱型halbach永磁阵列以及设置在所述圆柱型halbach永磁阵列的内壁上且相对间隔设置的两块导电板；
电能收集装置：所述电能收集装置包括储能单元，所述储能单元与所述导电板电连接。
2.如权利要求1所述的海洋流体发电系统，其特征在于，所述电磁发电装置还包括底座和支架，所述支架的一端与所述底座连接，所述圆柱型halbach永磁阵列与所述支架的另一端可转动式连接。
3.如权利要求1所述的海洋流体发电系统，其特征在于，所述圆柱型halbach永磁阵列的内径为5-15cm，所述圆柱型halbach永磁阵列的外径为8-20cm。
4.如权利要求1所述的海洋流体发电系统，其特征在于，所述圆柱型halbach永磁阵列采用多个扇形永磁磁块组合构成。
5.如权利要求1所述的海洋流体发电系统，其特征在于，所述圆柱型halbach永磁阵列采用多个梯形永磁磁块组合构成。
6.如权利要求1所述的海洋流体发电系统，其特征在于，所述圆柱型halbach永磁阵列由稀土永磁材料制成。
7.如权利要求1-6中任一项所述的海洋流体发电系统，其特征在于，所述导电板为铜板。
8.如权利要求1-6中任一项所述的海洋流体发电系统，其特征在于，所述导电板与所述储能单元之间还依次连接有整流单元和电流放大单元。
9.如权利要求7所述的海洋流体发电系统，其特征在于，在所述整流单元与所述电流放大单元之间还连接有第一稳压单元。
10.如权利要求8所述的海洋流体发电系统，其特征在于，在所述电流放大单元与所述储能单元之间还连接有第二稳压单元。
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