專利名稱：海洋波浪鴨式超導(dǎo)磁流體發(fā)電系統(tǒng)和發(fā)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用海洋波浪能進(jìn)行發(fā)電的海洋波浪鴨式超導(dǎo)磁流體發(fā)電 系統(tǒng)和發(fā)電方法，屬于利用海洋波浪可再生能源水力發(fā)電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著石油、煤炭等非可再生能源存量的減少以及環(huán)境污染所導(dǎo)致溫室效應(yīng) 的加劇，人們開(kāi)始尋求新的能源。而海洋波浪能作為一種可再生能日益受到人 們的重視。有效利用巨大的海洋波浪能資源是人類幾百年來(lái)的夢(mèng)想。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(guò)100kW的波浪能發(fā)電系統(tǒng)大約有10座左右，最大 裝機(jī)容量已達(dá)到750kW。
目前，波浪能發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)的組合方式，前者的優(yōu)點(diǎn)在于采用空氣傳遞能量，避免波浪對(duì) 脆弱的發(fā)電系統(tǒng)的直接打擊；后者采用蓄能器，輸出穩(wěn)定，抗風(fēng)浪沖擊能力強(qiáng)。 然而，這些發(fā)電系統(tǒng)最終都通過(guò)透平機(jī)械驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，將波浪能 轉(zhuǎn)換成電能。因此，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，造價(jià)昂貴，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率低，運(yùn)行維護(hù)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(jī)的 阻力特性。海洋波浪能是以大作用力(數(shù)噸的力)，低速度(O. 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(jī)相耦合，必須 使用高變速比的傳動(dòng)裝置或低效率的機(jī)械裝置，如變速齒輪箱和空氣壓縮透平系統(tǒng)。這通常會(huì)嚴(yán)重限制系統(tǒng)效率的提高，增大系統(tǒng)裝置的造價(jià)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服波浪能利用中如變速齒輪箱和空氣壓縮透平系統(tǒng)帶來(lái)的的低效、 復(fù)雜和維護(hù)較大的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種海洋波浪鴨式超導(dǎo)磁流體發(fā)電系統(tǒng)和 發(fā)電方法。系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可靠，維護(hù)小。更為重要的是，發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性與波 浪的運(yùn)動(dòng)相吻合，大大提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是采用海洋波浪鴨式超導(dǎo)磁流體發(fā)電系統(tǒng)，有波浪 擺外殼體、搖擺軸；有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，傳動(dòng)桿，液壓泵，液態(tài)金屬，磁體，冷卻設(shè)備， 直管發(fā)電通道，超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置。
波浪鴨波浪擺的形狀為尾部是半徑為R的園柱，背部是直線，鴨趾是弧形， 鴨頭為園頭；或波浪擺尾部做成圓柱形，波浪擺內(nèi)部有密封空間，波浪擺的上 部和下部分別連接有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接傳動(dòng)桿，傳動(dòng)桿連接并推動(dòng)液壓泵的 活塞，液壓泵中有液態(tài)金屬，液壓泵連接超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置；冷卻設(shè)備連接 超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置。
超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置，為發(fā)電雙通道中感生電動(dòng)勢(shì)以串聯(lián)方式連接，其中有
發(fā)電上通道，有發(fā)電下通道；發(fā)電上通道中有一對(duì)電極發(fā)電下通道中有一對(duì) 電極。發(fā)電上通道和下通道的結(jié)構(gòu)尺寸完全相同。
隨著海洋波浪的起伏，波浪鴨上下擺動(dòng)帶動(dòng)搖擺軸擺動(dòng)，擺動(dòng)的動(dòng)能經(jīng)過(guò) 上下轉(zhuǎn)動(dòng)軸和上下傳動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)上下液壓泵的活塞來(lái)回運(yùn)動(dòng)，驅(qū)使液態(tài)金屬在直 管發(fā)電通道中來(lái)回移動(dòng),切割由磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)發(fā)電。
冷卻設(shè)備用來(lái)冷卻液體金屬的升溫。
調(diào)節(jié)液壓泵的活塞面積和直管發(fā)電通道垂直截面積的比值，可以改變液態(tài) 金屬在直管發(fā)電通道中的運(yùn)動(dòng)速度。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是采用上述海洋波浪鴨式超導(dǎo)磁流體發(fā)電系統(tǒng)的發(fā) 電方法，將海洋波浪能轉(zhuǎn)變?yōu)閿[動(dòng)的動(dòng)能，采用超導(dǎo)磁體磁場(chǎng)流體發(fā)電裝置直
接將擺動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能；改變海洋波浪鴨波浪擺的寬度，就可以改變系統(tǒng) 聚集的海洋波浪能能量值。
波浪鴨式波能轉(zhuǎn)換裝置是由英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)索爾特(Salter)教授發(fā)明的， 在圖1中，當(dāng)波浪從左邊傳來(lái)時(shí)，在水質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力作用下，鴨體以2 搖擺軸為中心上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在水體升降過(guò)程，在流體靜壓力的作用下，鴨頭 上下沉浮，產(chǎn)生回旋力。這兩種壓力的運(yùn)動(dòng)是同相位的，鴨式可以最大限度地 吸收作圓周運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)水體水質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能和勢(shì)能，包括表層和深層波動(dòng)的水體。 在造波水池實(shí)驗(yàn)， 一字排開(kāi)的波浪鴨波能吸收率可達(dá)90%。


圖1為波浪鴨式波浪擺剖面示意圖(放大后)；
圖2為海洋波浪鴨式超導(dǎo)磁流體發(fā)電系統(tǒng)剖面示意圖3為超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置A-A截面示意圖(放大后)。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:
圖l為波浪鴨式波浪擺剖面圖。l為波浪擺外殼體，2為搖擺軸，隨著海洋波 浪的起伏，波浪鴨式波浪擺上下擺動(dòng)帶動(dòng)搖擺軸擺動(dòng)，海洋波浪能匯聚為搖擺 軸上的擺動(dòng)動(dòng)能。波浪擺的形狀設(shè)計(jì)成能最大限度地吸收波浪能的形狀尾部 是半徑為R的園柱，背部是直線，鴨趾是弧形，鴨頭為園頭。從左邊過(guò)來(lái)的波浪 使波浪擺擺動(dòng)，波浪擺尾部做成圓柱形，使右邊的海面不再有波浪。3為波浪擺 內(nèi)部密封空間，可以注入海水也可以排出海水來(lái)控制波浪擺有適合的吃水深度。 改變海洋波浪鴨波浪擺的寬度，就可以改變系統(tǒng)聚集的海洋波浪能能量值。實(shí)施例2:
圖2為海洋波浪鴨式超導(dǎo)磁流體發(fā)電系統(tǒng)剖面示意圖。其中4為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，5為 傳動(dòng)桿，6為液壓泵，7為液態(tài)金屬(比如水銀)，8為磁體(超導(dǎo)磁體)，9為冷 卻設(shè)備，IO為直管發(fā)電通道。隨著海洋波浪的起伏，波浪鴨l上下擺動(dòng)帶動(dòng)搖擺 軸2擺動(dòng)，擺動(dòng)的動(dòng)能經(jīng)過(guò)上下轉(zhuǎn)動(dòng)軸4和上下傳動(dòng)桿5驅(qū)動(dòng)上下液壓泵6的活塞 如圖2箭頭方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)，驅(qū)使液態(tài)金屬7在直管發(fā)電通道10中來(lái)回移動(dòng)，切割由 磁體8產(chǎn)生的磁場(chǎng)而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)發(fā)電。冷卻設(shè)備9用來(lái)冷卻液體金屬7的升 溫。調(diào)節(jié)液壓泵6的活塞面積和直管發(fā)電通道10垂直截面積的比值，可以改變液 態(tài)金屬7在直管發(fā)電通道10中的運(yùn)動(dòng)速度。比如液壓泵6的活塞面積和直管發(fā)電 通道10垂直截面積的比值為20，則直管發(fā)電通道10中的液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)速度將是 液壓泵6的活塞運(yùn)動(dòng)速度的20倍。這時(shí)如果海洋波浪能速度為1.5m/s，則直管發(fā) 電通道10中的液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)速度將是30 m/s。
為了得到高的發(fā)電機(jī)功率密度，提高磁感應(yīng)強(qiáng)度是必須的。普通電磁鐵的 磁感應(yīng)強(qiáng)度不超過(guò)2. 5T，而且要消耗大量電能和配置大功率的整流設(shè)備，而超導(dǎo) 磁體的場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)到5T或是更高，且基本不消耗能量。所以采用超導(dǎo)磁體8。
圖3為超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置A-A截面示意圖。本發(fā)明具體實(shí)施方式
為發(fā)電雙 通道中感生電動(dòng)勢(shì)為串聯(lián)連接方式，其中10-1為發(fā)電上通道，10-2為發(fā)電下通 道；11-1-1和11-1-2為發(fā)電上通道10-1中的一對(duì)電極11-2-1和11-2-2為 發(fā)電下通道10-2中的一對(duì)電極。發(fā)電上10-1通道和下10-2通道的結(jié)構(gòu)尺寸完 全相同。
發(fā)電上10-1下10-2雙通道中液態(tài)金屬的流動(dòng)方向相反，在發(fā)電上通道10-1 中，液態(tài)金屬7垂直紙面向外流動(dòng)，流速為v;而發(fā)電下通道10-2中液態(tài)金屬7的流動(dòng)方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶铮魉僖矠関。作用在發(fā)電通道10-1和10-2上的 外加磁場(chǎng)為B，在發(fā)電雙通道中均為垂直向下，因而在發(fā)電雙通道中產(chǎn)生的感生 電動(dòng)勢(shì)的方向相反，如圖3中感生電流j,和J2所示，發(fā)電上通道10-1的正電極 為11-1-1，而發(fā)電下通道10-2的正電極為11-2-2;將發(fā)電上通道10-1中的正 電極11-1-1與發(fā)電下通道10-2的負(fù)電極11-2-1相連；發(fā)電上通道10-1的負(fù) 電極11-1-2與發(fā)電下右通道10-2的正電極11-2-2作為該發(fā)電單元的負(fù)、正極 與外電路連接，輸出電能。 實(shí)始例3
如果發(fā)電通道的結(jié)構(gòu)尺寸為a = 65mm b = 20mm通道長(zhǎng)1=300,。液態(tài) 金屬選擇水銀，水銀電阻率在攝氏20時(shí)為9.6X10—7歐姆*米。比如液壓泵6的活 塞面積和直管發(fā)電通道10垂直截面積ab的比值為20，海洋波浪能速度為l. 5m/s， 直管發(fā)電通道10中的液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)速度將是v-30 m/s。如果磁場(chǎng)強(qiáng)度為5T，負(fù) 載電阻和回路總電阻的比值取K=0.5，則理論上磁流體發(fā)電機(jī)的輸出功率-.
二 2x——1~~^x 302 x 52 x (1 — 0.5)x 0.5 x 0.065 x 0.02 x 0.3 9.6xl(T7
=4.57M^
理論上發(fā)電設(shè)備的電源電動(dòng)勢(shì)
五二 2vS" = 2 x 30 x 5 x 0.065 = 19.5(V)
由于沒(méi)有考慮漏電和霍爾效應(yīng)的影響，也沒(méi)有考慮溫度變化的影響，所以 上面的計(jì)算只是近似的估算。
權(quán)利要求
1、一種海洋波浪鴨式超導(dǎo)磁流體發(fā)電系統(tǒng)，其特征是；有波浪擺外殼體、搖擺軸；有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，傳動(dòng)桿，液壓泵，液態(tài)金屬，磁體，冷卻設(shè)備，直管發(fā)電通道，超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置；波浪擺的上部和下部分別連接有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接傳動(dòng)桿，傳動(dòng)桿連接并推動(dòng)液壓泵的活塞，液壓泵中有液態(tài)金屬，液壓泵連接超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置；冷卻設(shè)備連接超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置；波浪擺的形狀為尾部是半徑為R的園柱，背部是直線，鴨趾是弧形，鴨頭為園頭；或波浪擺尾部做成圓柱形，波浪擺內(nèi)部有密封空間，超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置，為發(fā)電雙通道中感生電動(dòng)勢(shì)為串聯(lián)連接方式，其中有發(fā)電上通道，有發(fā)電下通道；發(fā)電上通道中有一對(duì)電極發(fā)電下通道中有一對(duì)電極；發(fā)電上通道和下通道的結(jié)構(gòu)尺寸完全相同。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海洋波浪鴨式超導(dǎo)磁流體發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方 法，其特征是；將海洋波浪能轉(zhuǎn)變?yōu)閿[動(dòng)的動(dòng)能，采用超導(dǎo)磁體磁場(chǎng)流體發(fā)電 裝置直接將擺動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種海洋波浪鴨式超導(dǎo)磁流體發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方 法，其特征是；通過(guò)改變海洋波浪鴨波浪擺的寬度，改變系統(tǒng)聚集的海洋波浪 能能量值。
全文摘要
海洋波浪鴨式超導(dǎo)磁流體發(fā)電系統(tǒng)和發(fā)電方法，將海洋波浪能轉(zhuǎn)變?yōu)閿[動(dòng)的動(dòng)能，采用超導(dǎo)磁體磁場(chǎng)流體發(fā)電裝置直接將擺動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能；改變海洋波浪鴨波浪擺的寬度，改變系統(tǒng)聚集的海洋波浪能能量值。波浪擺的形狀為尾部是半徑為R的圓柱，背部是直線，鴨趾是弧形，鴨頭為圓頭；波浪擺的上部和下部分別連接有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接傳動(dòng)桿，傳動(dòng)桿連接并推動(dòng)液壓泵的活塞，液壓泵中有液態(tài)金屬，液壓泵連接超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置；冷卻設(shè)備連接超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置。驅(qū)使液態(tài)金屬在超導(dǎo)磁流體發(fā)電裝置直管發(fā)電通道中來(lái)回移動(dòng)，產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)發(fā)電。系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可靠，維護(hù)小。更為重要的是發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性與波浪的運(yùn)動(dòng)相吻合，大大提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H02K7/18GK101424242SQ20071017651
公開(kāi)日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2007年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者劉平竹 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)