專利名稱：一種單管雙通道液態金屬磁流體波浪能直接發電單元裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種液態金屬磁流體波浪能直接發電裝置，特別是單管雙通道波浪能液態金屬磁流體發電單元裝置。
背景技術：
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境污染所導致溫室效應的加劇，波浪能作為一種清潔、可再生能源，日益引起全球關注，而波浪能發電技術更是發展迅速。迄今為止，輸出功率超過100kW的波浪能發電系統大約有10座左右，最大裝機容量已達到750kW。
目前，波浪能發電系統普遍采用振蕩水柱與空氣葉輪，振蕩浮子式、擺式、筏式與液壓系統的組合方式，前者的優點在于采用空氣傳遞能量，避免波浪對脆弱的發電系統的直接打擊；后者采用蓄能器，輸出穩定，抗風浪沖擊能力強。然而，這些發電系統都通過復雜的液壓系統或透平機械驅動傳統高速旋轉發電機，將波浪能轉換成電能。因此，系統結構龐大，造價昂貴，系統轉換效率低，運行維護復雜。導致這種狀態的根本原因在于海洋波浪能特性不匹配高速旋轉發電機的阻力特性。海洋波浪能是以大作用力(數噸的力)，低速度(0.5～2米/秒)的形式存在的一種能量，要將這種能量系統與傳統的高速旋轉發電機相耦合，必須使用高變速比的傳動裝置或低效率的機械裝置，如變速齒輪箱和空氣壓縮透平系統。這通常會嚴重限制系統效率的提高，增大系統裝置的造價。
近年來又提出了可以直接將波浪的動能轉換成電能的波浪能直接發電系統。這些系統幾乎沒有任何運動部件，系統簡單，可靠，免維護；更為重要的是，發電機的運動特性與波浪的運動相吻合，大大提高了系統的轉換效率。目前有兩種波浪能直接發電系統阿基米德波浪擺(Archimedes Wave Swing)和磁流體波浪能轉換系統，分別采用永磁直線發電機和磁流體發電機。
荷蘭研制的阿基米德波浪擺(AWS)是世界上第一臺波浪能直接轉換的發電裝置。它主要由浮筒、浮子和永磁同步直線發電機組成。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。永磁同步直線發電機的動子與浮子相連，這樣浮子的往復運動就可以通過直線發電機直接轉換成電能輸出。AWS的試驗裝置于2004年5月在葡萄牙海岸進行發電試驗，于同年10月首次并網發電成功。但在運行過程中，AWS裝置的發電機表現出明顯的不足發電機太大，造價太高；動子和定子之間的吸力大，給軸承的支撐系統帶來很大的問題；同時，還存在發電機的損失和冷卻等問題。
早在1979年，美國專利4151423就公開了一種利用磁流體(MHD)發電機將波浪能直接轉換成電能的發電裝置。該裝置由一個水平放置的MHD通道和磁體組成，海水在波浪泵的作用下，水平流過MHD通道，切割磁力線，產生電流。
1991年，美國專利5136173公開了一種磁流體波浪能直接發電系統。該系統包括一個垂直懸吊在深水中的MHD發電機，其上端與一個浮在海面的浮子相聯。MHD發電機中的MHD通道隨著浮子的上下波動、相對深處穩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(如超導等)產生的一個強磁場，且在通道內部放置一對電極。在與磁場的相互作用下，流動的海水產生感生電動勢；通過電纜連接負載，輸出電能；通過功率轉換系統，可為用戶提供穩定的電力供應。但該系統采用電導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公開了一種液態金屬磁流體(LMMHD)波浪能直接發電單元裝置，采用高電導率(約為海水106倍)的液態金屬作為MHD通道中的工作流體，進而提高了裝置的效率和實用性。雖然該裝置采用收縮的磁體結構以減小電磁場的端部效應以及能量損失，卻不可避免地產生感生磁場。如圖1所示，根據右手定則，在感生電流j的周圍產生感生磁場B1；在MHD通道的兩端部，感生磁場B1的方向與外加磁場B相平行；因而，在MHD通道的兩端部，與流動方向相垂直的磁場B(外加磁場B0和感生磁場B1的合成磁場)發生嚴重畸變，如圖1b所示，產生大量的能量損失，影響發電系統的穩定性。且該畸變程度隨著感生電流的增大而增大。而在液態金屬磁流體發電機中，若要發出可使用的電能，其產生的電流都是很大的。因而必須消除LMMHD波浪能直接發電系統中感生磁場所帶來的這種能量損失和不穩定性。
發明內容
為克服現有技術的缺點，本發明提出一種單管雙通道液態金屬磁流體(LMMHD)波浪能直接發電單元裝置。該裝置采用單管雙通道結構，以消除端部感生磁場及其所帶來的能量損失和不穩定性。
本發明的目的通過以下技術方案實現。
本發明的單管雙通道LMMHD波浪能直接發電單元裝置由U型管道、磁流體電極、2個彈性容器、充滿在U型管道和2個彈性容器內的液態金屬以及磁體和1個剛性容器組成，垂直布置在近海面的海水中。受到波浪能外力作用的液態金屬在U型管道中流動。U型管道由不導磁不導電的材料制成，其橫截面為矩形或方形；磁流體電極為平板形，兩對平板形電極對貼在U型管道的兩直管段中與磁場方向平行的內壁上；磁體為兩極磁體，可采用永磁體或其他形式的磁體，磁體產生垂直于流動方向的磁場；U型管道的兩端垂直穿過磁體的磁孔，在磁體的下端形成環形回路；置于磁體磁孔中的U型管道的兩直管段和兩電極對構成磁流體發電雙通道結構，發電雙通道內區域為電磁流體(MHD)作用區域。U型管道的兩端分別各連接一彈性容器。U型管道回路的發電雙通道垂直穿過磁體的磁孔。在MHD作用區域，U型管道的每個發電通道中都布置有一對與磁場和流動方向相垂直的電極，收集MHD作用所產生的電流。與U型管道兩端相連的彈性容器是壓力轉換和液態金屬存貯部件；其中一彈性容器放在剛性容器中，且該彈性容器和剛性容器間充氣體來平衡環境壓力p0。
當風平浪靜時，由于剛性容器中的彈性容器受到的壓力為外界壓力P0，U型管道和2個彈性容器內的液態金屬處于靜止狀態，兩彈性容器處于正常(原始)狀態，即既不收縮也不伸長。當波峰來時，未放在剛性容器中的彈性容器受到的壓力由P0增大為P1，即P1＞P0，所以在P1的作用下，該彈性容器收縮，其中的液態金屬受到擠壓，并沿U型管道向下流動；由于液態金屬的不可壓性，U型管道回路中另一發電通道中的液態金屬向上流動且迫使處于剛性容器中的彈性容器伸長，剛性容器中的壓力逐漸增大為P3，且P3＞P0。當波峰過去后波谷來時，作用在未放在剛性容器中的彈性容器上的壓力減小到P2，且P2＜P0；此時，剛性容器中的彈性容器所受的壓力為P3，且P3＞P0＞P2；則在P3的作用下，剛性容器中的彈性容器收縮，擠壓該彈性容器中的液態金屬沿與之相連的U型管道向下流動，剛性容器中的氣體壓力逐漸減小；由于連通性，另一發電通道中的液態金屬向上流動，同時另一未放在剛性容器中的彈性容器伸長。在發電雙通道中，流動的液態金屬在與磁場的相互作用下，產生感生電動勢。在MHD作用區域，發電雙通道中液態金屬的流動方向相反，但與之作用的外加磁場的方向相同，因而產生的感生電動勢的方向相反，本發明采用串聯方式將發電雙通道的感生電動勢相連，再通過電極、電纜連接負載，輸出電能。
根據右手定則，在感生電流的周圍產生感生磁場。因而，每個發電通道中感生電流所產生感生磁場的磁力線在兩端部與外加磁場相平行，且發電雙通道中感生電流所產生的感生磁場的方向相反。所以，在發電雙通道的端部，來自兩個發電通道中感生電流的感生磁場相互抵消，與液態金屬流動方向相垂直的磁場不會發生畸變。
將若干個本發明的單管雙通道LMMHD波浪能直接發電單元裝置串聯連接，可以進一步提高輸出電壓和功率。
本發明采用磁流體(MHD)發電方式，直接將波浪能轉化為電能，簡單，可靠，提高了系統的轉化效率；高電導率的液態金屬作為工質，提高了系統效率和裝置的實用性；U型液態金屬單管雙通道結構的采用，消除了目前液態金屬磁流體單通道發電裝置中感生磁場所帶來的不利因素，提高了系統的穩定性；此外，采用串聯方式連接發電雙通道中的感生電動勢，提高了發電單元裝置的輸出電壓，降低了由大電流、低電壓到穩定可用電能轉換的難度和裝置的造價，進一步提高了裝置的實用性。
本發明的單管雙通道液態金屬磁流體波浪能直接發電單元裝置，具有高轉換效率、大功率密度、結構緊湊、成本低廉的優點，易于商業化推廣。
圖1為單管單通道MHD作用產生的感生磁場B1及垂直于流動方向的合成磁場B分布，其中圖1b中的橫坐標x與圖1a中的流動方向相對應；圖2為本發明具體實施例單管雙通道液態金屬磁流體(LMMHD)波浪能直接發電單元裝置結構示意圖，其中1為U型管道；2為液態金屬；3為磁體；4為電極；5-1為發電左通道，5-2為發電右通道；6-1為左彈性容器，6-2為左彈性容器；7為剛性容器；8為氣體；圖3為本發明具體實施方式
發電雙通道中感生電動勢的串聯連接方式，其中5-1為發電左通道，5-2為發電右通道；4-1-1和4-1-2為發電左通道5-1中的一對電極；4-2-1和4-2-2為發電右通道5-2中的一對電極；圖4為本發明具體實施方式
單管雙通道MHD作用產生的感生磁場及垂直于流動方向的合成磁場B分布，圖4a為雙通道MHD作用產生的感生磁場示意圖，圖4b為合成磁場垂直于流動方向的磁場分量沿流動方向的分布圖，其中圖4b中的橫坐標x與圖4a中的流動方向相對應，5-1為發電左通道，5-2為發電右通道。
具體實施例方式
以下結合具體實施例及附圖進一步說明本發明。
圖2為本發明具體實施例的結構示意圖。如圖2所示，本發明具體實施例由U型管道1，磁體3，磁流體電極4，發電左通道5-1，發電右通道5-2，左彈性容器6-1，右彈性容器6-2，剛性容器7以及充滿在U型管道1和彈性容器6-1、6-2內的液態金屬2組成，垂直布置在近海面的海水中。磁體3為兩極磁體；U型管道1穿過磁體3的磁孔，在其下端形成環形回路；U型管道由不導磁不導電的材料制成，其橫截面為矩形或方形；液態金屬2在U型管道1中流動。兩對磁流體電極4為平板形，對貼在U型管道1的兩直管段中與磁場方向平行的內壁上。置于磁體3的磁孔中的兩直管段和兩電極對構成磁流體發電雙通道5-1和5-2，發電雙通道內區域為磁流體(MHD)作用區域。U型管道1的兩端分別連接彈性容器6-1和6-2。磁體3在磁流體作用區域產生垂直于流動方向的磁場，可采用永磁體或其他形式的磁體；U型管道1的回路的發電雙通道5-1和5-2垂直穿過磁體3的磁孔。在磁流體作用區域，U型管道1的發電左通道5-1和發電右通道5-2中各布置有一對與磁場和流動方向相垂直的電極4，收集MHD作用所產生的電流。與U型管道1兩端相連的彈性容器6-1和6-2是壓力轉換和液態金屬存貯部件；其中彈性容器6-2放在剛性容器7中；且彈性容器6-2和剛性容器7間充氣體8來平衡環境壓力P0。
當風平浪靜時，由于左彈性容器6-1和右彈性容器6-2所受的壓力相等，均為環境壓力P0，U型管道1和彈性容器6-1、6-2中的液態金屬2處于靜止狀態，左彈性容器6-1和右彈性容器6-2處于正常(原始)狀態，即既不收縮也不伸長。
如圖2中實線箭頭--左邊的箭頭--所示，當波峰來時，彈性容器6-1受到的壓力由P0增大為P1，在P1的作用下，彈性容器6-1收縮，其中的液態金屬2受到擠壓，并沿U型管道1向下流動；由于液態金屬2的不可壓性，U型管道1另一通道中的液態金屬2向上流動且迫使處于剛性容器7中的右彈性容器6-2伸長，剛性容器7中的氣體8的壓力逐漸增大為P3，且P3＞P0。當波峰過去后波谷來時，作用在彈性容器6-1上的壓力減小為P2，且P2＜P0；而剛性容器7中的氣體壓力為P3，且P3＞P0＞P2；如圖2中虛線箭頭--右邊的箭頭--所示，由于P3的作用，剛性容器7中的彈性容器6-2收縮，擠壓其中的液態金屬2沿與之相連的U型管道1向下流動；由于連通性，U型管道1中另一通道中的液態金屬2向上流動，彈性容器6-1伸長。流動的液態金屬2在與磁場的相互作用下，產生感生電動勢。
圖3為與圖2相對應的發電雙通道的橫截面示意圖。如圖3所示，發電雙通道中液態金屬的流動方向相反，在發電左通道5-1中，液態金屬2垂直紙面向外流動，而發電右通道5-2中液態金屬2的流動方向為垂直紙面向里；但與之作用的外加磁場B0方向相同，在發電雙通道中均為水平向右，因而在發電雙通道中產生的感生電動勢的方向相反，如圖3中感生電流j1和j2所示，發電左通道5-1的正電極為4-1-1，而發電右通道5-2的正電極為4-2-2；將發電左通道5-1中的正電極4-1-1與發電右通道5-2的負電極4-2-1相連；發電左通道5-1的負電極4-1-2與發電右通道5-2的正電極4-2-2作為該發電單元的負、正極與外電路連接，輸出電能。
圖4為與圖2相對應的發電雙通道的側視圖。如圖4所示，根據右手定則，發電左通道5-1中的感生電流j1產生的感生磁場B1和發電右通道5-2中的感生電流j2產生的感生磁場B2的方向相反。因而，在發電雙通道端部，感生磁場B1和B2與流動方向相垂直的磁場分量相互抵消，從而合成磁場與液態金屬流動方向相垂直的分量B就等于外加磁場B0，即外加磁場沒發生畸變，從而減小了能量損失，提高了系統裝置的穩定性。
如發電雙通道的結構尺寸為65mm*20mm*300mm，磁場強度為1T，液態金屬的流速為1.5m/s，則本發明的發電單元裝置可產生1kW的電能，功率密度可達到1.3MW/m3。
權利要求
1.一種單管雙通道液態金屬磁流體波浪能直接發電單元裝置，其特征在于該發電單元裝置由U型管道[1]、磁體[3]、磁流體電極[4]、發電左通道[5-1]、發電右通道[5-2]、左彈性容器[6-1]、右彈性容器[6-2]、剛性容器[7]以及充滿在U型管道[1]和彈性容器[6-1和6-2]內的液態金屬[2]組成，垂直布置在近海面的海水中，受到波浪能外力作用的液態金屬[2]在U型管道[1]中流動；U型管道[1]的兩端垂直穿過磁體[3]的磁孔，在磁體[3]下端形成環形回路；置于磁體[3]的磁孔中的U型管道[1]的兩直管段和兩電極對構成磁流體發電雙通道[5-1和5-2]，發電雙通道內區域為磁流體作用區域；U型管道[1]的兩端分別連接彈性容器[6-1]和[6-2]；彈性容器[6-2]置于剛性容器[7]中，在剛性容器[7]和彈性容器[6-2]間充有氣體[8]。
2.按照權利要求1所述的發電單元裝置，其特征在于兩對磁流體電極[4]為平板形；對貼在發電左通道[5-1]和發電右通道[5-2]中與磁場方向平行的內壁上。
3.按照權利要求1所述的發電單元裝置，其特征在于磁體[3]為兩極磁體，在磁流體作用區域產生垂直于流動方向的磁場。
4.按照權利要求1所述的發電單元裝置，其特征在于U型管道[1]由不導磁不導電的材料制成，其橫截面為矩形或方形。
5.按照權利要求1所述的發電單元裝置，其特征在于發電雙通道[5-1和5-2]垂直于海平面且位于海面下；發電雙通道[5-1和5-2]中外加磁場方向相同，而液態金屬[2]的流動方向相反。
6.按照權利要求1所述的發電單元裝置，其特征在于發電雙通道[5-1和5-2]中的感生電動勢采用串聯連接方式。
全文摘要
一種單管雙通道液態金屬磁流體波浪能直接發電單元裝置，由U型管道[1]、磁體[3]、磁流體電極[4]、彈性容器[6－1和6－2]和剛性容器[7]組成，垂直布置在近海面的海水中。U型管道[1]的兩端垂直通過磁體[3]的磁孔，在磁體[3]的下端形成環形回路。U型管道[1]的兩直管段和兩電極對構成磁流體發電雙通道[5－1和5－2]；受到波浪能外力作用的液態金屬在U型管道[1]中流動，在發電雙通道[5－1和5－2]中產生感生電動勢，采用串聯方式將發電雙通道的感生電動勢相連，再通過電纜連接負載，輸出電能。本發明提高了裝置的穩定性，并提高了發電單元裝置的輸出電壓，降低了由大電流、低電壓到穩定可用電能轉換的難度和裝置造價。
文檔編號H02K44/08GK1987089SQ200610144400
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月6日 優先權日2006年12月6日
發明者彭燕, 趙凌志, 沙次文, 李然, 許玉玉, 林佐偉 申請人:中國科學院電工研究所