[发明专利]一种摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管

说明书

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浮管，特别是摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管。

背景技术

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。

传统的波浪能发电系统一般由三部分组成，即波浪采集系统、中间转换系统和发电系统。波浪采集系统将波浪能转换成采集装置的机械能，常用的形式有振荡水柱式(OWC)、振荡浮子式(Buoy)、摆式(Pendulum)、鸭式(Duck)、筏式(Raft)、收缩坡道式(Tapchan)、蚌式(Clam)等。中间转换系统是将采集装置的机械能转换成与发电系统相匹配的能量形式的连接装置，主要有空气叶轮、低水头水轮机、液压系统、机械系统以及发电机等。而发电系统无一例外地采用了旋转发电机。如美国专利6476511B1公开了一种漂浮式波浪能采集装置。该装置采用链式结构，将若干个浮标柱体通过耦合器首尾相连；每个浮标柱体至少能沿一个水平轴旋转，配有一套液压油缸来抵挡和收集柱体间相对运动的波浪能。虽然这种振荡浮子式与液压系统相组合的波浪能发电系统采用蓄能器，输出稳定，抗风浪冲击能力强。然而，该发电系统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，必须使用低效率的机械装置，如变速齿轮箱或空气压缩透平系统。这通常会严重限制系统效率的提高，增大系统装置的造价。

故而，近年来又提出了可以将波浪能直接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。

荷兰研制的阿基米德波浪摆(Archimedes Wave Swing)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。

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。如图1所示，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。该装置主要利用波浪的垂直运动，采用垂直海平面的布置方式，浮子漂浮在海平面，而发电通道等关键部件垂直置于深海中，因而，整个系统的定位、安装、调试等方面都存在着一定的困难，且该装置的可移动性较差。

中国专利200610144400.5公开了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、磁体、磁流体电极、弹性容器和和刚性容器组成。该装置采用双发电通道，消除了感生磁场的影响。然而，该装置垂直布置在近海面的海水中，只能利用波浪的势能，且抗风浪冲击能力差。

发明内容