CN1987089A

CN1987089A - 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

Info

Publication number: CN1987089A
Application number: CNA2006101444005A
Authority: CN
Inventors: 彭燕; 赵凌志; 沙次文; 李然; 许玉玉; 林佐伟
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS; Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2026-12-06
Also published as: CN100526635C

Abstract

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，由U型管道[1]、磁体[3]、磁流体电极[4]、弹性容器[6－1和6－2]和刚性容器[7]组成，垂直布置在近海面的海水中。U型管道[1]的两端垂直通过磁体[3]的磁孔，在磁体[3]的下端形成环形回路。U型管道[1]的两直管段和两电极对构成磁流体发电双通道[5－1和5－2]；受到波浪能外力作用的液态金属在U型管道[1]中流动，在发电双通道[5－1和5－2]中产生感生电动势，采用串联方式将发电双通道的感生电动势相连，再通过电缆连接负载，输出电能。本发明提高了装置的稳定性，并提高了发电单元装置的输出电压，降低了由大电流、低电压到稳定可用电能转换的难度和装置造价。

Description

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

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，特别是单管双通道波浪能液态金属磁流体发电单元装置。

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。迄今为止，输出功率超过100kW的波浪能发电系统大约有10座左右，最大装机容量已达到750kW。

目前，波浪能发电系统普遍采用振荡水柱与空气叶轮，振荡浮子式、摆式、筏式与液压系统的组合方式，前者的优点在于采用空气传递能量，避免波浪对脆弱的发电系统的直接打击；后者采用蓄能器，输出稳定，抗风浪冲击能力强。然而，这些发电系统都通过复杂的液压系统或透平机械驱动传统高速旋转发电机，将波浪能转换成电能。因此，系统结构庞大，造价昂贵，系统转换效率低，运行维护复杂。导致这种状态的根本原因在于：海洋波浪能特性不匹配高速旋转发电机的阻力特性。海洋波浪能是以大作用力(数吨的力)，低速度(0.5～2米/秒)的形式存在的一种能量，要将这种能量系统与传统的高速旋转发电机相耦合，必须使用高变速比的传动装置或低效率的机械装置，如变速齿轮箱和空气压缩透平系统。这通常会严重限制系统效率的提高，增大系统装置的造价。

近年来又提出了可以直接将波浪的动能转换成电能的波浪能直接发电系统。这些系统几乎没有任何运动部件，系统简单，可靠，免维护；更为重要的是，发电机的运动特性与波浪的运动相吻合，大大提高了系统的转换效率。目前有两种波浪能直接发电系统：阿基米德波浪摆(Archimedes Wave Swing)和磁流体波浪能转换系统，分别采用永磁直线发电机和磁流体发电机。

荷兰研制的阿基米德波浪摆(AWS)是世界上第一台波浪能直接转换的发电装置。它主要由浮筒、浮子和永磁同步直线发电机组成。浮筒是一个充满空气的钢壁圆筒，顶部的盖子称为浮子；当波浪过来时，浮筒中的空气由于水压的作用，体积减小，浮子向下运动；当波峰过去后，浮筒中的空气由于空气压力的膨胀体积增加，浮子往上运动。永磁同步直线发电机的动子与浮子相连，这样浮子的往复运动就可以通过直线发电机直接转换成电能输出。AWS的试验装置于2004年5月在葡萄牙海岸进行发电试验，于同年10月首次并网发电成功。但在运行过程中，AWS装置的发电机表现出明显的不足：发电机太大，造价太高；动子和定子之间的吸力大，给轴承的支撑系统带来很大的问题；同时，还存在发电机的损失和冷却等问题。

早在1979年，美国专利4151423就公开了一种利用磁流体(MHD)发电机将波浪能直接转换成电能的发电装置。该装置由一个水平放置的MHD通道和磁体组成，海水在波浪泵的作用下，水平流过MHD通道，切割磁力线，产生电流。

1991年，美国专利5136173公开了一种磁流体波浪能直接发电系统。该系统包括一个垂直悬吊在深水中的MHD发电机，其上端与一个浮在海面的浮子相联。MHD发电机中的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。在MHD通道的水平方向布置有由电磁体或是其他方法(如超导等)产生的一个强磁场，且在通道内部放置一对电极。在与磁场的相互作用下，流动的海水产生感生电动势；通过电缆连接负载，输出电能；通过功率转换系统，可为用户提供稳定的电力供应。但该系统采用电导率低的海水作为工作流体，效率低，难以实用。2005年，美国专利0146140A1公开了一种液态金属磁流体(LMMHD)波浪能直接发电单元装置，采用高电导率(约为海水10⁶倍)的液态金属作为MHD通道中的工作流体，进而提高了装置的效率和实用性。虽然该装置采用收缩的磁体结构以减小电磁场的端部效应以及能量损失，却不可避免地产生感生磁场。如图1所示，根据右手定则，在感生电流j的周围产生感生磁场B₁；在MHD通道的两端部，感生磁场B₁的方向与外加磁场B相平行；因而，在MHD通道的两端部，与流动方向相垂直的磁场B(外加磁场B₀和感生磁场B₁的合成磁场)发生严重畸变，如图1b所示，产生大量的能量损失，影响发电系统的稳定性。且该畸变程度随着感生电流的增大而增大。而在液态金属磁流体发电机中，若要发出可使用的电能，其产生的电流都是很大的。因而必须消除LMMHD波浪能直接发电系统中感生磁场所带来的这种能量损失和不稳定性。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明提出一种单管双通道液态金属磁流体(LMMHD)波浪能直接发电单元装置。该装置采用单管双通道结构，以消除端部感生磁场及其所带来的能量损失和不稳定性。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明的单管双通道LMMHD波浪能直接发电单元装置由U型管道、磁流体电极、2个弹性容器、充满在U型管道和2个弹性容器内的液态金属以及磁体和1个刚性容器组成，垂直布置在近海面的海水中。受到波浪能外力作用的液态金属在U型管道中流动。U型管道由不导磁不导电的材料制成，其横截面为矩形或方形；磁流体电极为平板形，两对平板形电极对贴在U型管道的两直管段中与磁场方向平行的内壁上；磁体为两极磁体，可采用永磁体或其他形式的磁体，磁体产生垂直于流动方向的磁场；U型管道的两端垂直穿过磁体的磁孔，在磁体的下端形成环形回路；置于磁体磁孔中的U型管道的两直管段和两电极对构成磁流体发电双通道结构，发电双通道内区域为电磁流体(MHD)作用区域。U型管道的两端分别各连接一弹性容器。U型管道回路的发电双通道垂直穿过磁体的磁孔。在MHD作用区域，U型管道的每个发电通道中都布置有一对与磁场和流动方向相垂直的电极，收集MHD作用所产生的电流。与U型管道两端相连的弹性容器是压力转换和液态金属存贮部件；其中一弹性容器放在刚性容器中，且该弹性容器和刚性容器间充气体来平衡环境压力p₀。

当风平浪静时，由于刚性容器中的弹性容器受到的压力为外界压力P₀，U型管道和2个弹性容器内的液态金属处于静止状态，两弹性容器处于正常(原始)状态，即既不收缩也不伸长。当波峰来时，未放在刚性容器中的弹性容器受到的压力由P₀增大为P₁，即P₁＞P₀，所以在P₁的作用下，该弹性容器收缩，其中的液态金属受到挤压，并沿U型管道向下流动；由于液态金属的不可压性，U型管道回路中另一发电通道中的液态金属向上流动且迫使处于刚性容器中的弹性容器伸长，刚性容器中的压力逐渐增大为P₃，且P₃＞P₀。当波峰过去后波谷来时，作用在未放在刚性容器中的弹性容器上的压力减小到P₂，且P₂＜P₀；此时，刚性容器中的弹性容器所受的压力为P₃，且P₃＞P₀＞P₂；则在P₃的作用下，刚性容器中的弹性容器收缩，挤压该弹性容器中的液态金属沿与之相连的U型管道向下流动，刚性容器中的气体压力逐渐减小；由于连通性，另一发电通道中的液态金属向上流动，同时另一未放在刚性容器中的弹性容器伸长。在发电双通道中，流动的液态金属在与磁场的相互作用下，产生感生电动势。在MHD作用区域，发电双通道中液态金属的流动方向相反，但与之作用的外加磁场的方向相同，因而产生的感生电动势的方向相反，本发明采用串联方式将发电双通道的感生电动势相连，再通过电极、电缆连接负载，输出电能。

根据右手定则，在感生电流的周围产生感生磁场。因而，每个发电通道中感生电流所产生感生磁场的磁力线在两端部与外加磁场相平行，且发电双通道中感生电流所产生的感生磁场的方向相反。所以，在发电双通道的端部，来自两个发电通道中感生电流的感生磁场相互抵消，与液态金属流动方向相垂直的磁场不会发生畸变。

将若干个本发明的单管双通道LMMHD波浪能直接发电单元装置串联连接，可以进一步提高输出电压和功率。

本发明采用磁流体(MHD)发电方式，直接将波浪能转化为电能，简单，可靠，提高了系统的转化效率；高电导率的液态金属作为工质，提高了系统效率和装置的实用性；U型液态金属单管双通道结构的采用，消除了目前液态金属磁流体单通道发电装置中感生磁场所带来的不利因素，提高了系统的稳定性；此外，采用串联方式连接发电双通道中的感生电动势，提高了发电单元装置的输出电压，降低了由大电流、低电压到稳定可用电能转换的难度和装置的造价，进一步提高了装置的实用性。

本发明的单管双通道液态金属磁流体波浪能直接发电单元装置，具有高转换效率、大功率密度、结构紧凑、成本低廉的优点，易于商业化推广。

附图说明

图1为单管单通道MHD作用产生的感生磁场B₁及垂直于流动方向的合成磁场B分布，其中图1b中的横坐标x与图1a中的流动方向相对应；

图2为本发明具体实施例单管双通道液态金属磁流体(LMMHD)波浪能直接发电单元装置结构示意图，其中1为U型管道；2为液态金属；3为磁体；4为电极；5-1为发电左通道，5-2为发电右通道；6-1为左弹性容器，6-2为左弹性容器；7为刚性容器；8为气体；

图3为本发明具体实施方式发电双通道中感生电动势的串联连接方式，其中5-1为发电左通道，5-2为发电右通道；4-1-1和4-1-2为发电左通道5-1中的一对电极；4-2-1和4-2-2为发电右通道5-2中的一对电极；

图4为本发明具体实施方式单管双通道MHD作用产生的感生磁场及垂直于流动方向的合成磁场B分布，图4a为双通道MHD作用产生的感生磁场示意图，图4b为合成磁场垂直于流动方向的磁场分量沿流动方向的分布图，其中图4b中的横坐标x与图4a中的流动方向相对应，5-1为发电左通道，5-2为发电右通道。

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2为本发明具体实施例的结构示意图。如图2所示，本发明具体实施例由U型管道1，磁体3，磁流体电极4，发电左通道5-1，发电右通道5-2，左弹性容器6-1，右弹性容器6-2，刚性容器7以及充满在U型管道1和弹性容器6-1、6-2内的液态金属2组成，垂直布置在近海面的海水中。磁体3为两极磁体；U型管道1穿过磁体3的磁孔，在其下端形成环形回路；U型管道由不导磁不导电的材料制成，其横截面为矩形或方形；液态金属2在U型管道1中流动。两对磁流体电极4为平板形，对贴在U型管道1的两直管段中与磁场方向平行的内壁上。置于磁体3的磁孔中的两直管段和两电极对构成磁流体发电双通道5-1和5-2，发电双通道内区域为磁流体(MHD)作用区域。U型管道1的两端分别连接弹性容器6-1和6-2。磁体3在磁流体作用区域产生垂直于流动方向的磁场，可采用永磁体或其他形式的磁体；U型管道1的回路的发电双通道5-1和5-2垂直穿过磁体3的磁孔。在磁流体作用区域，U型管道1的发电左通道5-1和发电右通道5-2中各布置有一对与磁场和流动方向相垂直的电极4，收集MHD作用所产生的电流。与U型管道1两端相连的弹性容器6-1和6-2是压力转换和液态金属存贮部件；其中弹性容器6-2放在刚性容器7中；且弹性容器6-2和刚性容器7间充气体8来平衡环境压力P₀。

当风平浪静时，由于左弹性容器6-1和右弹性容器6-2所受的压力相等，均为环境压力P₀，U型管道1和弹性容器6-1、6-2中的液态金属2处于静止状态，左弹性容器6-1和右弹性容器6-2处于正常(原始)状态，即既不收缩也不伸长。

如图2中实线箭头--左边的箭头--所示，当波峰来时，弹性容器6-1受到的压力由P₀增大为P₁，在P₁的作用下，弹性容器6-1收缩，其中的液态金属2受到挤压，并沿U型管道1向下流动；由于液态金属2的不可压性，U型管道1另一通道中的液态金属2向上流动且迫使处于刚性容器7中的右弹性容器6-2伸长，刚性容器7中的气体8的压力逐渐增大为P₃，且P₃＞P₀。当波峰过去后波谷来时，作用在弹性容器6-1上的压力减小为P₂，且P₂＜P₀；而刚性容器7中的气体压力为P₃，且P₃＞P₀＞P₂；如图2中虚线箭头--右边的箭头--所示，由于P₃的作用，刚性容器7中的弹性容器6-2收缩，挤压其中的液态金属2沿与之相连的U型管道1向下流动；由于连通性，U型管道1中另一通道中的液态金属2向上流动，弹性容器6-1伸长。流动的液态金属2在与磁场的相互作用下，产生感生电动势。

图3为与图2相对应的发电双通道的横截面示意图。如图3所示，发电双通道中液态金属的流动方向相反，在发电左通道5-1中，液态金属2垂直纸面向外流动，而发电右通道5-2中液态金属2的流动方向为垂直纸面向里；但与之作用的外加磁场B₀方向相同，在发电双通道中均为水平向右，因而在发电双通道中产生的感生电动势的方向相反，如图3中感生电流j₁和j₂所示，发电左通道5-1的正电极为4-1-1，而发电右通道5-2的正电极为4-2-2；将发电左通道5-1中的正电极4-1-1与发电右通道5-2的负电极4-2-1相连；发电左通道5-1的负电极4-1-2与发电右通道5-2的正电极4-2-2作为该发电单元的负、正极与外电路连接，输出电能。

图4为与图2相对应的发电双通道的侧视图。如图4所示，根据右手定则，发电左通道5-1中的感生电流j₁产生的感生磁场B₁和发电右通道5-2中的感生电流j₂产生的感生磁场B₂的方向相反。因而，在发电双通道端部，感生磁场B₁和B₂与流动方向相垂直的磁场分量相互抵消，从而合成磁场与液态金属流动方向相垂直的分量B就等于外加磁场B₀，即外加磁场没发生畸变，从而减小了能量损失，提高了系统装置的稳定性。

如发电双通道的结构尺寸为65mm*20mm*300mm，磁场强度为1T，液态金属的流速为1.5m/s，则本发明的发电单元装置可产生1kW的电能，功率密度可达到1.3MW/m³。

Claims

1、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，其特征在于该发电单元装置由U型管道[1]、磁体[3]、磁流体电极[4]、发电左通道[5-1]、发电右通道[5-2]、左弹性容器[6-1]、右弹性容器[6-2]、刚性容器[7]以及充满在U型管道[1]和弹性容器[6-1和6-2]内的液态金属[2]组成，垂直布置在近海面的海水中，受到波浪能外力作用的液态金属[2]在U型管道[1]中流动；U型管道[1]的两端垂直穿过磁体[3]的磁孔，在磁体[3]下端形成环形回路；置于磁体[3]的磁孔中的U型管道[1]的两直管段和两电极对构成磁流体发电双通道[5-1和5-2]，发电双通道内区域为磁流体作用区域；U型管道[1]的两端分别连接弹性容器[6-1]和[6-2]；弹性容器[6-2]置于刚性容器[7]中，在刚性容器[7]和弹性容器[6-2]间充有气体[8]。

2、按照权利要求1所述的发电单元装置，其特征在于：两对磁流体电极[4]为平板形；对贴在发电左通道[5-1]和发电右通道[5-2]中与磁场方向平行的内壁上。

3、按照权利要求1所述的发电单元装置，其特征在于：磁体[3]为两极磁体，在磁流体作用区域产生垂直于流动方向的磁场。

4、按照权利要求1所述的发电单元装置，其特征在于：U型管道[1]由不导磁不导电的材料制成，其横截面为矩形或方形。

5、按照权利要求1所述的发电单元装置，其特征在于：发电双通道[5-1和5-2]垂直于海平面且位于海面下；发电双通道[5-1和5-2]中外加磁场方向相同，而液态金属[2]的流动方向相反。

6、按照权利要求1所述的发电单元装置，其特征在于：发电双通道[5-1和5-2]中的感生电动势采用串联连接方式。