專利名稱：一種搖擺式波浪能液態(tài)金屬磁流體發(fā)電浮管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液態(tài)金屬磁流體波浪能直接發(fā)電浮管，特別是搖擺式波浪能液態(tài)金屬磁 流體發(fā)電浮管。
技術(shù)背景有效利用巨大的海洋波浪能資源是人類幾百年來的夢想。隨著化石能源危機以及環(huán)境污 染所導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇，波浪能作為一種清潔、可再生能源，日益引起全球關(guān)注，而波浪 能發(fā)電技術(shù)更是發(fā)展迅速。迄今為止，輸出功率超過100kW的波浪能發(fā)電系統(tǒng)大約有10座 左右，最大裝機容量已達到750kW。傳統(tǒng)的波浪能發(fā)電系統(tǒng)一般由三部分組成，即波浪采集系統(tǒng)、中間轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)。 波浪采集系統(tǒng)將波浪能轉(zhuǎn)換成采集裝置的機械能，常用的形式有振蕩水柱式(OWC)、振蕩 浮子式(Buoy)、擺式(Pendulum)、鴨式(Duck)、筏式(Raft)、收縮坡道式(Tapchan)、蚌式(Clam) 等。中間轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是將采集裝置的機械能轉(zhuǎn)換成與發(fā)電系統(tǒng)相匹配的能量形式的連接裝置， 主要有空氣葉輪、低水頭水輪機、液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)以及發(fā)電機等。而發(fā)電系統(tǒng)無一例外 地采用了旋轉(zhuǎn)發(fā)電機。如美國專利6476511B1公開了一種漂浮式波浪能采集裝置。該裝置采 用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，將若干個浮標(biāo)柱體通過耦合器首尾相連；每個浮標(biāo)柱體至少能沿一個水平軸旋 轉(zhuǎn)，配有一套液壓油缸來抵擋和收集柱體間相對運動的波浪能。雖然這種振蕩浮子式與液壓 系統(tǒng)相組合的波浪能發(fā)電系統(tǒng)采用蓄能器，輸出穩(wěn)定，抗風(fēng)浪沖擊能力強。然而，該發(fā)電系 統(tǒng)通過復(fù)雜的液壓系統(tǒng)或透平機械驅(qū)動傳統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)發(fā)電機，將波浪能轉(zhuǎn)換成電能。因此， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，造價昂貴，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率低，運行維護復(fù)雜。導(dǎo)致這種狀態(tài)的根本原因在于 海洋波浪能特性不匹配高速旋轉(zhuǎn)發(fā)電機的阻力特性。海洋波浪能是以大作用力(數(shù)噸的力)， 低速度(0.5 2米/秒)的形式存在的一種能量，要將這種能量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的高速旋轉(zhuǎn)發(fā)電機 相耦合，必須使用低效率的機械裝置，如變速齒輪箱或空氣壓縮透平系統(tǒng)。這通常會嚴(yán)重限 制系統(tǒng)效率的提高，增大系統(tǒng)裝置的造價。故而，近年來又提出了可以將波浪能直接轉(zhuǎn)換成電能的波浪能直接發(fā)電系統(tǒng)。這些系統(tǒng) 幾乎沒有任何運動部件，系統(tǒng)簡單、可靠、免維護；更為重要的是，發(fā)電機的運動特性與波浪的運動相吻合，大大提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。荷蘭研制的阿基米德波浪擺(Archimedes Wave Swing)是世界上第一臺波浪能直接轉(zhuǎn)換 的發(fā)電裝置。它主要由浮筒、浮子和永磁同步直線發(fā)電機組成。浮筒是一個充滿空氣的鋼壁 圓筒，頂部的蓋子稱為浮子；當(dāng)波浪過來時，浮筒中的空氣由于水壓的作用，體積減小，浮 子向下運動；當(dāng)波峰過去后，浮筒中的空氣由于空氣壓力的膨脹體積增加，浮子往上運動。 永磁同步直線發(fā)電機的動子與浮子相連，這樣浮子的往復(fù)運動就可以通過直線發(fā)電機直接轉(zhuǎn) 換成電能輸出。AWS的試驗裝置于2004年5月在葡萄牙海岸進行發(fā)電試驗，于同年10月首 次并網(wǎng)發(fā)電成功。但在運行過程中，AWS裝置的發(fā)電機表現(xiàn)出明顯的不足發(fā)電機太大，造 價太高；動子和定子之間的吸力大，給軸承的支撐系統(tǒng)帶來很大的問題；同時，還存在發(fā)電 機的損失和冷卻等問題。1991年，美國專利5136173公開了一種磁流體波浪能直接發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個垂 直懸吊在深水中的MHD發(fā)電機，其上端與一個浮在海面的浮子相聯(lián)。MHD發(fā)電機中的MHD 通道隨著浮子的上下波動、相對深處穩(wěn)定的海水作上下運動。在MHD通道的水平方向布置 有由電磁體或是其他方法(如超導(dǎo)等)產(chǎn)生的一個強磁場，且在通道內(nèi)部放置一對電極。如 圖1所示，在與磁場的相互作用下，流動的海水產(chǎn)生感生電動勢；通過電纜連接負載，輸出 電能；通過功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可為用戶提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。但該系統(tǒng)采用電導(dǎo)率低的海水作 為工作流體，效率低，難以實用。2005年，美國專利0146140A1公開了一種液態(tài)金屬磁流體 (LMMHD)波浪能直接發(fā)電單元裝置，采用高電導(dǎo)率(約為海水106倍)的液態(tài)金屬作為 MHD通道中的工作流體，進而提高了裝置的效率和實用性。該裝置主要利用波浪的垂直運動， 采用垂直海平面的布置方式，浮子漂浮在海平面，而發(fā)電通道等關(guān)鍵部件垂直置于深海中， 因而，整個系統(tǒng)的定位、安裝、調(diào)試等方面都存在著一定的困難，且該裝置的可移動性較差。中國專利200610144400.5公開了一種單管雙通道液態(tài)金屬磁流體波浪能直接發(fā)電單元裝 置，由U型管道、磁體、磁流體電極、彈性容器和和剛性容器組成。該裝置采用雙發(fā)電通道， 消除了感生磁場的影響。然而，該裝置垂直布置在近海面的海水中，只能利用波浪的勢能， 且抗風(fēng)浪沖擊能力差。發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提出一種搖擺式波浪能液態(tài)金屬磁流體發(fā)浮管。該發(fā)電 浮管漂浮在海面上，液態(tài)金屬隨著波浪的起伏在發(fā)電通道中往復(fù)運動，與磁場相互作用，產(chǎn) 生感生電動勢。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。本發(fā)明的搖擺式波浪能液態(tài)金屬磁流體發(fā)電浮管由鉤環(huán)、浮管殼體、存貯容器、發(fā)電通 道、液態(tài)金屬、磁體、電極、功率輸出系統(tǒng)等組成。浮管殼體為一段兩端密封的管，浮管殼體兩端各布置一個鉤環(huán)，鉤環(huán)用于發(fā)電浮管的定位和連接多個發(fā)電浮管。存ie容器、發(fā)電通 道、磁體、電極、功率輸出系統(tǒng)等布置在浮管殼體內(nèi)。磁體布置于浮管殼體之中段位置，產(chǎn) 生垂直于流動方向的磁場。磁體為兩極磁體，可采用永磁體或電磁體或超導(dǎo)磁體等其他形式 的磁體。發(fā)電通道由同軸的連接段和有效段組成，發(fā)電通道穿過磁體的磁孔，其有效段位于 磁體的磁孔內(nèi)，有效段的兩端通過左、右連接段分別與左、右存貯容器相連，組成一密封腔， 液態(tài)金屬在該密封腔內(nèi)流動。發(fā)電通道的有效段為直線式，由不導(dǎo)磁、不導(dǎo)電的材料制成，其橫截面為矩形或方形； 一對電極為平板形，相對貼在與磁場方向平行的發(fā)電通道有效段的 內(nèi)壁上，收集MHD作用所產(chǎn)生的電流。功率輸出系統(tǒng)布置在磁體與存貯容器之間，主要由 電流引線、電纜以及串聯(lián)電容器等組成，將電極收集到的電流引出，并轉(zhuǎn)換成用戶可用的電 能。存貯容器對稱布置在發(fā)電通道的兩端，容積較大；為減小液態(tài)金屬的流動損失，發(fā)電通 道與兩存貯容器組成的密封腔為真空。當(dāng)風(fēng)平浪靜時，本發(fā)明的發(fā)電浮管漂浮在海面上，發(fā)電通道和兩存貯容器所組成的密封 腔內(nèi)的液態(tài)金屬液面相持平，液態(tài)金屬處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)波浪來時，浮管殼體隨波浪的運動 發(fā)生傾斜，其中一端位于波峰，而另一端位于波谷；處于波峰的存貯容器中的液態(tài)金屬的勢 能增大，在重力的作用下，經(jīng)過發(fā)電通道向處于波谷的存貯容器流動，波浪能轉(zhuǎn)化為液態(tài)金 屬的勢能，再轉(zhuǎn)化為液態(tài)金屬的動能；發(fā)電通道中，流動的液態(tài)金屬在與磁場的相互作用下， 產(chǎn)生感生電動勢，通過電極和功率輸出系統(tǒng)輸出電能，反之亦然。本發(fā)明的發(fā)電浮管的長度根據(jù)具體的實施環(huán)境而定；通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可使發(fā)電通 道中的液態(tài)金屬始終處于充滿的狀態(tài)，以獲得最佳的發(fā)電效率。若干個本發(fā)明的搖擺式發(fā)電 浮管可通過鉤環(huán)首尾相連，每個發(fā)電浮管產(chǎn)生的感生電動勢可根據(jù)需要釆取串聯(lián)或并聯(lián)的連 接方式。本發(fā)明的發(fā)電浮管漂浮在海面上，隨波浪起伏而搖擺；液態(tài)金屬隨著浮管殼體的搖擺在 發(fā)電通道中往復(fù)運動，將波浪能直接轉(zhuǎn)換為與MHD發(fā)電方式相匹配的液態(tài)金屬的動能，從 而取消了復(fù)雜的活塞傳動系統(tǒng)和運動部件，降低了機械損失；MHD發(fā)電機具有高的效率，且 其阻力特性與波浪的運動特性相匹配，因而，提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率；高電導(dǎo)率的液態(tài)金屬 作為發(fā)電工質(zhì)，提高了功率密度和裝置的實用性；此外，液態(tài)金屬在密封的空間流動，不會 發(fā)生泄露，提高了該發(fā)電裝置的可靠性和環(huán)保性。本發(fā)明的搖擺式波浪能液態(tài)金屬磁流體發(fā)電浮管具有高轉(zhuǎn)換效率、大功率密度、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低廉、移動性好的優(yōu)點，易于商業(yè)化推廣。


圖1為磁流體發(fā)電原理示意圖。圖2為本發(fā)明具體實施例搖擺式波浪能液態(tài)金屬磁流體發(fā)電浮管結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為鉤環(huán)，2為浮管殼體，3-1為左存貯容器，3-2為右存貯容器，4為發(fā)電通道，5為磁體，6 為電極，7為功率輸出系統(tǒng)，8為液態(tài)金屬。圖3為本發(fā)明具體實施例搖擺式波浪能液態(tài)金屬磁流體發(fā)電浮管的工作過程，其中圖3a 為發(fā)電浮管左端處于波峰時的工作過程，圖3b為發(fā)電浮管右端處于波峰時的工作過程；3-1 為左存貯容器，3-2為右存貯容器，4-1為發(fā)電通道4的左連接段，4-2為發(fā)電通道4的右連 接段，4-3為發(fā)電通道4的有效段，8為液態(tài)金屬。圖4為某海域的波浪特性。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。圖2為本發(fā)明具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本發(fā)明具體實施例由鉤環(huán)1、浮 管殼體2、左存貯容器3-l和右存貯容器3-2、發(fā)電通道4、磁體5、電極6、功率輸出系統(tǒng)7、 液態(tài)金屬8等組成。浮管殼體2為一兩端密封的管，左存貯容器3-l和右存貯容器3-2、發(fā)電 通道4、磁體5、電極6、功率輸出系統(tǒng)7布置在浮管殼體2內(nèi)。磁體5置于浮管殼體2之中 段位置，為兩極磁體，可采用永磁體或電磁體，還可以采用超導(dǎo)磁體；磁體5產(chǎn)生垂直于流 動方向的磁場。發(fā)電通道4由同軸的有效段4-3和左、右連接段4-1和4-2組成；有效段4-3 在磁體5的磁孔中，由不導(dǎo)磁不導(dǎo)電的材料制成，其橫截面為矩形或方形；左連接段4-l與 左存貯容器3-1相連，右連接段4-2和右存貯容器3-2相連。發(fā)電通道4和左存貯容器3-1、 右存貯容器3-2的內(nèi)部構(gòu)成一密封腔，液態(tài)金屬8在此密封腔中流動；為減小液態(tài)金屬8的 流動損失，該密封腔為真空。 一對電極6為平板形，對貼在與磁場方向平行的、發(fā)電通道有 效段4-3的內(nèi)壁上，位置相對。電極6用于收集MHD作用所產(chǎn)生的電流。功率輸出系統(tǒng)7 布置在磁體5與右存貯容器3-2之間，也可布置在磁體5與左存貯容器3-l之間；功率輸出 系統(tǒng)7由電流引線、電纜以及串聯(lián)電容器等組成，將電極,6收集到的電流引出，并轉(zhuǎn)換成用 戶可用的電能。左存貯容器3-1和右存貯容器3-2對稱布置在發(fā)電通道4的兩端。左存ie容 器3-1和右存貯容器3-2容積較大。鉤環(huán)1為一對，對稱布置在浮管殼體2的兩端部，用于 發(fā)電浮管的定位和多個發(fā)電浮管的連接。當(dāng)風(fēng)平浪靜時，本發(fā)明的發(fā)電浮管漂浮在海平面上，如圖2所示，發(fā)電通道4和左存C容器3-l、右存貯容器3-2的內(nèi)部密封腔中的液態(tài)金屬8的液面相持平，液態(tài)金屬8處于靜止 狀態(tài)。當(dāng)波浪來時，浮管殼體2隨波浪的運動發(fā)生傾斜，如圖3所示，其中一端位于波峰， 而另一端位于波谷。圖3a中，左存儲容器3-l處于波峰，右存儲容器3-2處于波谷，左存貯 容器3-l中的液態(tài)金屬8的勢能增大，在重力的作用下，經(jīng)過左連接段4-l，有效段4-3和右 連接段4-2向處于波谷的右存貯容器3-2中流動，波浪能轉(zhuǎn)化為與MHD發(fā)電方式相匹配的動 能。當(dāng)波峰過去后波谷來時，如圖3b所示，左存貯容器3-l處于波谷，右存貯容器3-2處于 波峰，右存貯容器3-2中的液態(tài)金屬8的勢能增大，在重力的作用下，經(jīng)過右連接段4-2、有 效段4-3和左連接段4-l向處于波谷的左存貯容器3-l中流動，波浪能轉(zhuǎn)化為與MHD發(fā)電方 式相匹配的動能。在發(fā)電通道4的有效段4-3，流動的液態(tài)金屬8在與磁場的相互作用下，產(chǎn) 生感生電動勢，通過電極6和功率輸出系統(tǒng)7輸出電能。如某海域的波浪特性如圖4所示，波浪為正弦波形狀，波頻H-0.1Hz，波高F-6m，傳播 速度約V二2.2m/s，則相鄰兩波峰之間的水平距離L尸V/r^22m，相鄰波峰和波谷間的水平距 離為LflV241m， e=(arctg(L2/F》°。如本發(fā)明的搖擺式波浪能液態(tài)金屬磁流體發(fā)電浮管的浮 管殼體2的長度L尸llm，發(fā)電通道有效段4-3的長度LMM^2.5m，忽略摩擦阻力，液態(tài)金屬 8在發(fā)電通道有效段4-3的運動速度可達6m/s，平均速度vp=3m/s;橫截面為矩形的發(fā)電通道 的發(fā)電功率密度P二k(l-k)d(Vty;^W/m3，如負載系數(shù)]^=0.5，液態(tài)金屬的電導(dǎo)率0=2*10^/111， vp=6m/s， B=1T，則發(fā)電功率密度P=4.5*106W/m3;如發(fā)電通道有效段4-3的橫截面為 50mm*100mm，長為2.5m，則發(fā)電通道有效段4-3的體積為0.025m3，發(fā)電功率為112.5kW。
權(quán)利要求
1、一種搖擺式波浪能液態(tài)金屬磁流體發(fā)電浮管，包括發(fā)電通道(4)、磁體(5)、電極(6)、功率輸出系統(tǒng)(7)、液態(tài)金屬(8)，其特征在于該發(fā)電浮管還包括鉤環(huán)(1)、浮管殼體(2)、左存貯容器(3-1)、右存貯容器(3-2)；浮管殼體(2)為一段兩端密封的管，左存貯容器(3-1)和右存貯容器(3-2)、發(fā)電通道(4)、磁體(5)、電極(6)、功率輸出系統(tǒng)(7)布置在浮管殼體(2)內(nèi)；磁體(5)位于浮管殼體(2)的中部；發(fā)電通道(4)穿過磁體(5)的磁孔，發(fā)電通道(4)的兩端分別與左存貯容器(3-1)及右存貯容器(3-2)相連；發(fā)電通道(4)、左存貯容器(3-1)及右存貯容器(3-2)三者內(nèi)部構(gòu)成一密封腔，液態(tài)金屬(8)在該密封腔中流動；功率輸出系統(tǒng)(7)布置在磁體(5)與左存貯容器(3-1)或磁體(5)與右存貯容器(3-2)之間；一對鉤環(huán)(1)對稱布置在浮管殼體(2)的兩端部。
2、 按照權(quán)利要求1所述的發(fā)電浮管，其特征在于浮管殼體(2)漂浮在海面上，隨波 浪的起伏而搖擺；液態(tài)金屬(8)隨著浮管殼體(2)的搖擺在發(fā)電通道(4)中往復(fù)運動，與 磁體(5)產(chǎn)生的磁場相互作用，產(chǎn)生感生電動勢。
3、 按照權(quán)利要求1所述的發(fā)電浮管，其特征在于發(fā)電通道(4)由同軸的左連接段(4-l)、 右連接段(4-2)和有效段(4-3)組成，左連接段(4-1)與左存貯容器(3-1)相連，右連接 段(4-2)和右存貯容器(3-2)相連，有效段(4-3)置于磁體(5)的磁孔之中；有效段(4-3) 為直線式，其橫截面為矩形或方形，有效段(4-3)由不導(dǎo)磁不導(dǎo)電的材料制成；電極(6) 為一對，為平板形，相對貼在有效段(4-3)與磁場方向平行的發(fā)電通道有效段(4-3)的內(nèi) 壁上。
4、 按照權(quán)利要求1所述的發(fā)電浮管，其特征在于磁體(5)為兩極磁體，可采用永磁 體或電磁體或超導(dǎo)磁體。
5、 按照權(quán)利要求1所述的發(fā)電浮管，其特征在于功率輸出系統(tǒng)(7)由電流引線、電 纜及串聯(lián)電容器組成。
6、 按照權(quán)利要求1或3所述的發(fā)電浮管，其特征在于發(fā)電通道(4)和左存貯容器(3-l )、 右存貯容器(3-2)三者的內(nèi)部構(gòu)成的密封腔為真空。
7、 按照權(quán)利要求1所述的發(fā)電浮管，其特征在于若干個發(fā)電浮管可通過鉤環(huán)(1)首 尾相連；每個發(fā)電浮管產(chǎn)生的感生電動勢采取串聯(lián)或并聯(lián)的連接方式。
全文摘要
一種搖擺式波浪能液態(tài)金屬磁流體發(fā)電浮管，由鉤環(huán)(1)、浮管殼體(2)、存貯容器(3-1)和(3-2)、發(fā)電通道(4)、磁體(5)、電極(6)、功率輸出系統(tǒng)(7)、液態(tài)金屬(8)組成，漂浮在海面上，隨波浪起伏而搖擺。液態(tài)金屬(8)隨著浮管殼體(2)的搖擺在發(fā)電通道(4)中往復(fù)運動，與磁體(5)產(chǎn)生的磁場相互作用，產(chǎn)生感生電動勢，通過平板電極(6)和功率輸出系統(tǒng)(7)輸出電能。本發(fā)明具有高轉(zhuǎn)換效率、大功率密度、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低廉、移動性好的優(yōu)點，易于商業(yè)化推廣。
文檔編號H02K44/00GK101309041SQ20081011653
公開日2008年11月19日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者劉保林, 燕 彭, 建 李, 然 李, 沙次文, 許玉玉, 龍 賈, 趙凌志 申請人:中國科學(xué)院電工研究所;賈 龍