一種單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機，特別涉及一種采用單管多段的液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機。
【背景技術(shù)】
[0002]新型液態(tài)金屬磁流體(LiquidMetal Magnetohydrodynamics，LMMHD)發(fā)電機采用交替外力，如汽車內(nèi)燃力和波浪力，直接驅(qū)動液態(tài)金屬在發(fā)電通道內(nèi)往復(fù)直線運動，切割磁力線，產(chǎn)生交流電能。與傳統(tǒng)LMMHD發(fā)電系統(tǒng)相比，如兩相流發(fā)電系統(tǒng)和單相流發(fā)電系統(tǒng)，新型LMMHD發(fā)電機采用直接驅(qū)動和單相的液態(tài)金屬發(fā)電工質(zhì)，無需額外的能量和設(shè)備來維持工作流體良好的導(dǎo)電性，結(jié)構(gòu)簡單，功率密度大，效率高，因此在混合動力汽車、分布式供電電源和波浪能直接發(fā)電系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]新型LMMHD發(fā)電機的發(fā)電通道一般為矩形，其負(fù)載電壓Ul= Bubk，負(fù)載電流Il =BuaLo(l-k)，發(fā)電機內(nèi)阻Rg = b/(aLo)，B為外加磁場強度，u為發(fā)電通道內(nèi)液態(tài)金屬的平均速度，b為電極間距，a為電極寬度(S卩有效磁極間距)，L為電極長度，σ為液態(tài)金屬電導(dǎo)率，Rl為負(fù)載電阻，k = RL/(RL+Rg)為負(fù)載系數(shù)。σ為106S/m;u為lOV/s’a和b通常為10—^!丄為^)—1?1Vb為10QT，則Rg為10—5?10—6Ω，IL為15?107A，Ul為10QV。因而，新型LMMHD發(fā)電機具有低電壓、大電流的輸出特性，遠(yuǎn)不同于傳統(tǒng)發(fā)電機的輸出特性。
[0004]對于用電設(shè)備，如水下機器人、各種傳感器和聲吶設(shè)備，需要穩(wěn)定的DC或AC，工作電壓一般為1t3?102V，工作電流為1t3?12A,內(nèi)阻都在歐姆級甚至更高，與新型LMMHD發(fā)電機的內(nèi)阻極不匹配，需要通過電能變換系統(tǒng)，將其輸出的低壓、大電流的交流電能轉(zhuǎn)換成用戶需要的穩(wěn)定電能。然而，目前電力電子器件的最低導(dǎo)通電壓約為0.7V，能導(dǎo)通的最大電流為8320A，遠(yuǎn)不能滿足直接對新型LMMHD發(fā)電機的輸出進行電能變換的要求。一方面，需針對新型LMMHD發(fā)電機的輸出特性研發(fā)相應(yīng)的新型電力電子器件；另一方面，需對新型LMMHD發(fā)電機進行優(yōu)化設(shè)計以提高輸出電壓、降低輸出電流，滿足目前電力電子器件的性能。
[0005]中國專利200610144400.5采用雙通道串聯(lián)布置電路串聯(lián)、美國專利0146140A1采用多通道并聯(lián)布置電路串聯(lián)的方式來增加發(fā)電機的輸出電壓、降低輸出電流。然而，中國專利200610144400.5為僅有一個U型過渡段的雙通道結(jié)構(gòu)，其增加發(fā)電機輸出電壓的能力有限，而且不是直線型，大大限制了其應(yīng)用場合;美國專利0146140A1中的16個發(fā)電單元為獨立結(jié)構(gòu)，但是如果各單元受力不等導(dǎo)致感生電流不等，多個發(fā)電單元并聯(lián)布置電路串聯(lián)輸出的非均勻性是隨之而來的問題。
[0006]中國專利201510661287.7提出一種環(huán)形通道液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機，采用徑向截面為環(huán)形的通道結(jié)構(gòu)，結(jié)合徑向均勻磁場和液態(tài)金屬的軸向方向流動，提高了發(fā)電機輸出電壓，即降低了低電壓、大電流的交流電到穩(wěn)定可用電能的轉(zhuǎn)換難度，但是該發(fā)電機的磁體設(shè)計、加工和安裝等較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提出一種單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機。本發(fā)明單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機的多個發(fā)電通道通過U型過渡段連通，采用串聯(lián)的方式將相鄰發(fā)電通道電路串聯(lián)，以提尚發(fā)電機的輸出電壓。
[0008]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0009]本發(fā)明的單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機由入口段，出口段，第一發(fā)電通道、第一平板電極對，第二發(fā)電通道、第二平板電極對，第三發(fā)電通道、第三平板電極對，第一過渡段，以及第二過渡段組成。第一發(fā)電通道，第二發(fā)電通道和第三發(fā)電通道垂直布置于單方向的均勻磁場下。第一發(fā)電通道和第二發(fā)電通道通過第一過渡段連通，第二發(fā)電通道和第三發(fā)電通道通過第二過渡段連通，第一發(fā)電通道的另一端和入口段連通，第三發(fā)電通道的另一端和出口段連通。入口段、第一發(fā)電通道、第一過渡段、第二發(fā)電通道、第二過渡段、第三發(fā)電通道和出口段連接，組成一個通道連通空間，該通道連通空間內(nèi)充滿液態(tài)金屬。液態(tài)金屬在通道連通空間內(nèi)沿入口段、第一發(fā)電通道、第一過渡段、第二發(fā)電通道、第二過渡段、第三發(fā)電通道、出口段往復(fù)流動，在第一發(fā)電通道、第二發(fā)電通道和第三發(fā)電通道內(nèi)切割磁力線，感生電動勢。
[0010]所述的第一發(fā)電通道、第二發(fā)電通道和第三發(fā)電通道上下平行布置，并依次垂直布置于單方向的均勻磁場下。第一發(fā)電通道、第二發(fā)電通道和第三發(fā)電通道之間的距離相等。三個發(fā)電通道的壁面均采用絕緣材料制作。
[0011]第一過渡段和第二過渡段為U型結(jié)構(gòu)，入口段、第一發(fā)電通道、第一過渡段、第二發(fā)電通道、第二過渡段、第三發(fā)電通道和出口段在垂直于液態(tài)金屬流動方向上的通道連通空間截面均為矩形，且矩形的長和寬相等。入口段、出口段、第一過渡段和第二過渡段的壁面均采用絕緣材料制作。
[0012]第一平板電極對、第二平板電極對和第三平板電極對均由兩塊平板電極組成。第一平板電極對貼在第一發(fā)電通道與磁場平行的內(nèi)壁上;第二平板電極對貼在第二發(fā)電通道與磁場平行的內(nèi)壁上；第三平板電極對貼在第三發(fā)電通道與磁場平行的內(nèi)壁上。三對平板電極采用導(dǎo)電材料制作。
[0013]第一平板電極對由第一電極和第二電極組成;第二平板電極對由第三電極和第四電極組成;第三平板電極對由第五電極和第六電極組成。第一平板電極對、第二平板電極對和第三平板電極對向通道內(nèi)的一面與液態(tài)金屬接觸，該三對平板電極貼在發(fā)電通道內(nèi)壁的一面連接有導(dǎo)線，導(dǎo)線穿出發(fā)電通道壁面伸出發(fā)電通道外。從第一平板電極對的第一電極穿出的導(dǎo)線和相鄰的第二平板電極對的第三電極穿出的導(dǎo)線連接，從第二平板電極對的第四電極穿出的導(dǎo)線和與其相鄰的第三平板電極對的第六電極、穿出的導(dǎo)線連接，從第三平板電極對第五電極穿出的導(dǎo)線和從第一平板電極對的第二電極穿出的導(dǎo)線之間連接有外負(fù)載，如此組成第一平板電極對第二電極、液態(tài)金屬、第一平板電極對第一電極、第二平板電極對第三電極、液態(tài)金屬、第二平板電極對第四電極、第三平板電極對第五電極、液態(tài)金屬、第三平板電極對第六電極的電流導(dǎo)通路徑。
[0014]當(dāng)往復(fù)外力，如波浪力，推動液態(tài)金屬沿入口段、第一發(fā)電通道、第一過渡段、第二發(fā)電通道、第二過渡段、第三發(fā)電通道、出口段往復(fù)流動，在第一發(fā)電通道、第二發(fā)電通道和第三發(fā)電通道內(nèi)切割磁力線，產(chǎn)生垂直于液態(tài)金屬流動方向和磁場方向的感生電動勢。相鄰發(fā)電通道內(nèi)液態(tài)金屬流動速度相等方向相反、磁場大小相等方向相同，產(chǎn)生大小相等方向相反的感生電動勢，通過所述的電流導(dǎo)通路徑輸出電能。
[0015]所述的液態(tài)金屬為低熔點金屬或合金。所述的低熔點金屬或合金是指熔點低于232°C的易熔金屬或合金。
[0016]本發(fā)明單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機的輸出電壓為UL= 3Bubk，B為外加磁場強度，u為發(fā)電通道內(nèi)液態(tài)金屬的平均速度，b為電極間距，a為電極寬度，即有效磁極間距，L為電極長度，σ為液態(tài)金屬電導(dǎo)率，Rl為負(fù)載電阻，仏為發(fā)電機內(nèi)阻，k = Rl/ (RL+Rg)為負(fù)載系數(shù)。不考慮電極壓降，這種三個發(fā)電通道的單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機的輸出電壓為單通道發(fā)電機的3倍。
[0017]若發(fā)電通道個數(shù)為n，n 2 I，過渡段個數(shù)為n-1，則輸出電壓UL = nBubk。當(dāng)n = 2m-l、m 2 I，m為整數(shù)，即發(fā)電通道個數(shù)η為奇數(shù)，進出口液態(tài)金屬流的方向相同，即液態(tài)金屬為近似直線形驅(qū)動；當(dāng)n = 2m、m > I，即發(fā)電通道個數(shù)η為偶數(shù)，進出口液態(tài)金屬流的方向相反，即液態(tài)金屬為近似U形驅(qū)動?？筛鶕?jù)不同應(yīng)用場合和需要進行設(shè)計。
[0018]可見，本發(fā)明采用利用過渡段連通的單管多段的液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機結(jié)構(gòu)，相鄰發(fā)電通道內(nèi)液態(tài)金屬的流動速度大小相等方向相反、在簡單的單方向均勻磁場下，產(chǎn)生大小相等方向相反的感生電動勢，相鄰發(fā)電通道串聯(lián)，連接負(fù)載輸出電能，提高了發(fā)電機的輸出電壓，即降低了由大電流、低電壓的交流電到穩(wěn)定可用電能轉(zhuǎn)換的難度。
[0019]并且，本發(fā)明中只需應(yīng)用簡單的兩極磁體來提供單方向的均勻磁場即可，降低了磁體的設(shè)計和加工難度，可在一定程度上減少裝置造價。
[0020]另外，本發(fā)明中各發(fā)電單元內(nèi)液態(tài)金屬流動速度大小相等、磁場大小相等方向相同，沒有多個發(fā)電通道并聯(lián)布置電路串聯(lián)的輸出非均勻性問題。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明具體實施例單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機三維示意圖，圖中:I入口段、2出口段、3-1第一發(fā)電通道、3-2第一電極、3-3第二電極、4-1第二發(fā)電通道、4-2第三電極、4-3第四電極、5-1第三發(fā)電通道、5-2第五電極、5-3第六電極、6第一過渡段、7第二過渡段、8液態(tài)金屬；
[0022]圖2a為本發(fā)明具體實施例單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機正視圖；
[0023]圖2b為本發(fā)明具體實施例單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機俯視圖；
[0024]圖3a為本發(fā)明具體實施例單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機直線型結(jié)構(gòu)示意圖，圖中:3第一發(fā)電段；
[0025]圖3b為本發(fā)明具體實施例單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機U型結(jié)構(gòu)示意圖，圖中:3第一發(fā)電段。
【具體實施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明。
[0027]圖1為本發(fā)明實施例單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機的三維示意圖，圖2a為本發(fā)明實施例單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機的正視圖，圖2b為本發(fā)明實施例單管多段液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機的俯視圖。如圖1、圖2a和圖2b所示，第一發(fā)電通道3-1和第二發(fā)電通道4-1通過第一過渡段6連通，第二發(fā)電通道4-1和第三發(fā)電通道5-1通過第二過渡段7連通，第一發(fā)電通道3-1的另一端和入口段I連通，第三發(fā)電通道5-1的另一端和出口段2連通，入口段
1、第一發(fā)電通道3-1、第一過渡段6、第二發(fā)電通道4-1、第二過渡段7、第三發(fā)電通道5-1和出口段2組成一個通道連通空間，該通道連通空間內(nèi)充滿液態(tài)金屬8，液態(tài)金屬8在通道連通空間內(nèi)沿入口段1、第一發(fā)電通道