CN104104210A - 一种基于磁流体共振的波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流体共振的波浪能发电装置，包括振动单元和发电单元，振动单元包括一端连接有浮子且另一端连接有活塞的竖杆和容置活塞的气缸，发电单元包括多个发电管道，发电管道包括横截面为矩形水平区段，水平区段的一组相对的壁面外表面上均安装有磁铁，另外的一组相对壁面上分别安装有电极。浮子浸没在海水中随海水波浪上下运动，带动活塞在气缸内往复运动而使其内气体压强增大或者缩小，压强的变化使与气缸连通的发电管道的水平区段内的液体金属往复振荡，以切割磁铁产生的磁感线而产生电能，电能被电极收集。本发明发电装置用于将波浪蕴藏的机械能转变为电能，其能量转化效率高，且适用多种频率的波浪。

Description

一种基于磁流体共振的波浪能发电装置

技术领域

本发明属于海洋可再生能源利用领域，更具体地，涉及一种基于磁流体共振的波浪能发电装置。

背景技术

海洋的波浪蕴藏的能量巨大，其如风能、太阳能一样是自然界存在的绿色能源，可被持续利用，能被用于进行发电。“九五”期间，在科技部攻关计划支持下，广州能源研究所在广东汕尾市遮浪研建了100kW振荡水柱式波力电站，该电站可实现与电网并网运行。天津国家海洋技术所研建的100kW摆式波力电站，已在1999年9月在青岛成功运行。我国计划在2020年，在上海、海南、广东各建一座1000kW级的岸基式波力电站，以实现对海洋波浪能的广泛利用。

岸基式波力电站具有多种形式的能量转换装置，其常见的一种转换装置为振荡水柱波能式的装置，该转换装置中具有气室，在波浪力作用下，气室下部水柱被强迫振动，从而压缩气室内的空气往复通过喷嘴，即将波浪能转换成空气的压力势能和动能，具有势能和动能的空气带动透平机，透平机与发电机共轴从而带动发电机发电。

振荡水柱波浪发电装置具有复杂的机械结构，机械转化环节较多，其需要进行多次能量转换，而多次能量转换使得装置中易损件较多，且能量在转化过程中的损失也较多，导致发电效率较低。此外，振荡浮子和振荡水柱式发电装置自身具有固有频率，且该固有频率无法调节，只能对海域内与自身固有频率可产生共振的波浪进行能量转换，虽然其他频率的波浪仍然携带很大部分的机械能，但是却得不到利用，其波浪能利用效率十分低下。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁流体共振的波浪能发电装置，其目的在于通过调节自身固有频率来适应不同频率波浪而达到两者共振，以充分利用各种频率的波浪能进行发电，且其能量转换次数较少，能量损失小，由此解决传统振荡水柱波浪发电装置的转换效率低，能量损失大以及不适用多种频率波浪的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于磁流体共振的波浪能发电装置，用于将海洋中波浪蕴藏的动能转变为电能，其特征在于，其包括

振动单元，所述振动单元包括处于海面且中间具有通孔的起支撑作用的海上平台，穿过所述通孔且一端连接有浮子另一端连接有活塞的竖杆，容置所述活塞的气缸，与气缸顶部连通的多通管道，所述多通管道包括一个中心接口和多个周边接口，所述气缸与其中心接口连通，所述浮子浸没在海水中随海水波浪浮动而上下运动，并通过所述竖杆带动活塞在气缸内往复运动而使气缸内气体压强增大或者减小；

发电单元，所述发电单元包括被所述海上平台支撑的多个外形呈字母“U”形的发电管道，所述发电管道包括位于其底部的水平区段和分别位于所述水平区段两侧且在其端部具有端口的两个竖直区段，所述水平区段横截面为矩形，所述发电管道的水平区段用于容置导电液体金属，所述水平区段的相对两个面上均安装有磁铁，所述位于同一个面上的磁铁的极性相同，所述水平区段的相对的另两个面上分别安装有电极；

所述发电管道竖直区段的端口与所述多通管道的周边接口连通，以使所述气缸与所述发电管道通过所述多通管道连通，所述气缸内的气体压强增大或者缩小后使与气缸连通的发电管道水平区段内的液体金属往复振荡，以切割所述磁铁产生的磁感线而在与磁感线垂直的方向上产生电势差，该电势差被所述电极收集形成电能即实现发电。

进一步的，还包括调频单元，该调频单元包括

储液室，其为中空的容器，用于储存所述的导电液体金属；

储液连通室，其为中空的容器，其与所述储液室底部分别以排液管和注液管连通，且还与所述多个发电管道的水平区段分别通过多个输液管连通；

排液泵，其位于连通所述储液室与所述储液连通室的排液管上，该排液泵受外界控制以用于将所述储液连通室的导电液体金属排出到所述储液室，进而使与所述储液连通室连通的发电管道内的导电金属液体回流进入所述储液连通室，实现其质量减少且液柱高度降低；

注液泵，其位于连通所述储液室与所述储液连通室的注液管上，该注液泵受外界控制以用于将所述储液室的导电液体金属注入到所述储液连通室，进而实现与所述储液连通室连通的发电管道内的金属液体质量增加且液柱高度增加；

通过改变所述发电管道内的导电液体金属的质量和液柱高度，以使自身与所述振动单元共同组成的运动部分的固有频率改变，以与各种不同频率的波浪产生共振，以共振产生的导电液体金属的剧烈运动切割磁感线而高效产生电能。

进一步的，所述调频单元还包括电磁阀，其位于所述输液管上，每个所述的输液管上具有一个该电磁阀，所述电磁阀受外界控制以实现自身所在的输液管的开闭，以实现所述导电液体金属进入相应发电管道，实现该发电管道发电。

进一步的，所述调频单元还包括气阀，所述气阀位于所述储液室的盖子上，其用于连接大气与所述储液室的内部空间，用以平衡所述液态金属的液面变化时产生的气压差。

进一步的，还包括控制单元，其包括

超声波传感器，该超声波传感器位于所述储液室顶部，以用于测量所述储液室内部的导电液体金属质量；

压强频率传感器，该压强频率传感器浸没在海水中，以用于测量波浪的压强大小而得到波浪的频率；

微控制器，该微控制器分别与所述超声波液位传感器和所述压强频率传感器以电缆连接，且同时与所述排液泵和所述注液泵以电缆连接，用于接收来自所述压强频率传感器和所述超声波液位传感器的信号并进行处理，以根据处理结果控制所述排液泵或所述注液泵对所述发电管道进行排液或者注液，以控制其内导电液体金属质量和液柱高度，实现实时控制导电金属液体和所述振动单元共同组成的运动部分的固有频率的调节。

进一步的，所述导电液体金属为镓合金或汞的一种或者多种。

进一步的，所述发电单元的磁铁呈片状，所述片状磁铁贴合在所述发电管道中横截面呈矩形的水平区段的两个相对的外壁面上。

进一步的，所述发电单元的磁铁为永磁铁，优选为钕铁硼强磁铁。

进一步的，所述发电单元的金属电极具有多对，位于所述发电管道一个壁面的金属电极和另一个壁面金属电极中电势相等或者接近的电极相电连接，两个壁面上电势相差最大的电极分别连接外部蓄电池或者负载。

按照本发明的另一方面，提供了一种应用如上所述的装置进行发电的方法。

本发明中，磁流体发电原理为：

在波浪力的推动下，浮子在波浪浮力的作用下上下运动，浮子通过竖杆带动活塞在气缸内往复运动而产生对气缸内气体压缩。气缸内的气体受到活塞周期性地压缩，使得其压强周期性变化，气体压强的变化将带动与气缸连通的发电管道内液态金属来回振荡，在发电管道的水平区段的两个相对的管壁面上分别装有强磁铁，该磁铁产生的磁感线被来回振荡的金属进行切割。根据法拉第电磁感应定律，在该发电管道的水平区段会产生电动势也即电能，该电动势被该水平区段另两个相对壁面上的金属电极收集，即可将电动势中电能进行收集利用。

本发明中，固有频率调节原理为：

该发明装置发电管道内的导电液体金属质量或液柱高度可调，振动单元和导电液体金属共同组成了装置的的运动部分，而该运动部分的固有频率与自身的结构和液态金属的质量有关，从而可实现通过调节发电管道内液态金属的质量和液柱高度来调节运动部分的固有频率，具体规律是，液柱越高，固有频率越低，当运动部分的固有频率与波浪的频率一致或者相差不大时，液态金属振荡最剧烈，切割磁感线的速率最大，达到发电效率最高。

本发明中，电极的连接原理为：

在导电液态金属切割磁场时，当电极对数足够多时，可以两侧电极中找到电势相等或十分接近的一对电极，将这些电势相等或相近的电极用导线在通道的外部连接起来，最后剩余的导线其电势差的差别最大，具有较多电能，可用来连接负载或者蓄电池。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明装置可检测波浪的频率，根据波浪的频率通过调节发电管道内导电液体金属的质量和液柱高度，从而调节振动单元与导电金属液体共同组成的运动部分的频率，使运动单元能与多种频率的波浪发生共振，以共振产生的剧烈的液体金属的运动切割磁感线进行发电，克服了传统波浪发电装置由于自身固有频率不可调节而无法充分利用多种频率波浪能量的问题。

2、本发明装置通过浮子带动活塞，通过活塞压缩空气，通过被压缩的空气使导电液体金属振荡以切割磁感线，产生电能，相对传统方法，其能量传递环节较少，能量在传递过程损失少，能量转换效率高，且装置结构简单。

附图说明

图1(a)是实施例中波浪能发电装置结构示意图的正面；

图1(b)是实施例中波浪能发电装置结构示意图的反面；

图2是实施例中波浪能发电装置振动单元结合发电单元主要部件的剖面图；

图3(a)是实施例中发电管道的水平区段结构示意图；

图3(b)是实施例中发电单元结构示意图；

图3(c)是实施例中发电管道的水平区段剖面以及电极的结构示意图；

图4(a)是实施例中发电管道的水平区段内磁场与导电液体金属流向示意图；

图4(b)是实施例中发电管道的水平区段外壁上金属电极间连接图；

图5是实施例中波浪能发电装置控制单元、发电单元以及调频单元主要结构示意图；

图6是实施例中波浪能发电装置频率调节控制框图；

图7是实施例中波浪能发电装置频率调节算法流程图；

图8是实施例中具有四个发电管道的波浪能发电装置的结构简图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

101-海上平台        102-浮子            103-活塞

104-竖杆            105-气缸            106-多通管道

107-中心接口        108-周边接口        201-发电管道

202-水平区段        203-竖直区段        204-磁铁

205-电极            206-液体金属        301-储液室

302-储液连通室      303-排液泵          304-注液泵

305-电磁阀          306-气阀            312-输液管

322-排液管          332-注液管          401-超声波传感器

402-压强频率传感器  403-微控制器        404-电缆

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1(a)和图1(b)中以及图2中，振动单元的圆形的海上平台101由四根固定于海底的柱子支撑(图中没有画出柱子)，其中部有让竖杆104通过的圆孔，海上平台101可以是圆形以外的其他形状，或者是简单的框架结构，海上平台101的结构与形状可依具体施工情况而定，本发明中不进行限定。竖杆104通过海上平台的圆孔，其下端连接圆筒形浮子102，上端连接活塞103，活塞103置于气缸105内，具体见图2，活塞103与气缸105的配合满足一定的气密性要求，并且摩擦阻力合适，气缸105顶部与多通管道106(这里为三通管道)的中心接口107连通。

图1(a)、图1(b)以及图2中，发电单元中具有2个“U”形发电管道201，且两者关于竖杆104对称分布在海上平台101上，但本发明中对发电管道201的数量和分布方式不进行限定。发电管道201包括位于其底部的水平区段202和分别位于所述水平区段202两侧且在其端部具有开口的两个竖直区段203，所述水平区段202横截面为矩形，且所述水平区段202的内壁面和外壁面横截面形状均为矩形，所述发电管道的水平区段202用于容置导电液体金属汞，但本发明中并不导电液体金属206的材料进行具体限定。所述发电管道201的所述竖直区段203具有端口，一个所述发电管道具有两个所述竖直区段203，每个所述竖直区段203具有一个端口。

水平区段202管道的上下两个相对面上均安装有强磁铁204，且该强磁铁呈片状，具有多对，通过卡在位于在所述水平区段202上下壁面的卡槽而贴合在上下壁面上，且位于同一壁面的磁铁204的极性相同，所述强磁铁204为永磁铁，且其材料为钕铁硼强磁铁。

在水平区段202左右壁面上分别安装有金属电极205，所述金属电极呈片状，具有多对，均贴合在水平区段的左右壁面上，且贴合在内壁面上，在每一片金属电极片上焊接有与之垂直的小孔板，小孔板通过开设在水平区段左右壁面上的孔伸出壁面外，用于连接储电池或者负载的导线。本实施例中金属电极采用铜制作，但本发明中对金属电极的材料不进行限制。

所述发电管道201竖直区段203的端部开口与所述多通管道106的周边接口连通，以使所述气缸105与所述“U”形发电管道201通过所述多通管道106连通，所述“U”形发电管道201的数量与所述多通管道106周边接口数量108相同，一个所述“U”形发电管道通过其一个端口与多通管道106的一个周边接口108连通，所述气缸105内的气体压强增大或者缩小后使与所述气缸105连通的“U”形发电管道水平区段202内的液体金属206往复振荡，以切割所述磁铁204产生磁场而在与磁场垂直的方向上产生电势差，该电势差被所述电极205收集形成电能即实现发电。

图4(b)是实施例中“U”形发电管道的水平区段202外壁上金属电极205间连接图，其中金属电极1与3’电势接近，用外部导线将其相连，同理，将2与4’相连，3与5’相连，按照这样的连接方法，直至11与13’相连，将剩下的1’和2’与外界储电池或者负载的正极或者负极相连，将12和13与外界储电池或者负载的负极或者正极相连，实现波浪能转化的电能的贮存或者利用。图4(a)是实施例中“U”形发电管道的水平区段202内磁场与导电液体金属206方向示意图，磁场的方向为垂直纸面向内的方向，导电液体金属206流向为从左至右，则下方电极的电动势大于上方电极。

图5为实施例中波浪能发电装置控制单元、发电单元以及调频单元主要部件的结构示意图。其中调频单元包括储液室301，其为中空的容器，用于储存所述的导电液体金属206。还包括储液连通室302，其为中空的容器，其与储液室301底部分别以排液管322、输液管332连通，且还与两个“U”形发电管道201的水平区段202分别通过两根输液管312连通，本发明中输液管312的数量与所述“U”形发电管道数量相同，但本发明不对输液管312的数量进行限制。所述储液室301内储存的所述导电液体金属206通过所述储液连通室302进出所述“U”形发电管道201。调频单元还包括电磁阀305，其位于所述输液管312上，每个所述的输液管312上具有一个该电磁阀305，所述电磁阀305受外界控制而开启使自身所在的所述输液管312连通，以实现所述导电液体金属206进入与之连通的相应“U”形发电管道201，实现对“U”形发电管道201的开启而使该发电管道发电。还包括排液泵303和注液泵304，两者均位于连通所述储液室301与所述储液连通室302的排液管322、注液管332上，排液泵303受外界控制以用于将所述储液连通室302的导电液体金属206排出到所述储液室301，进而使与所述储液连通室302连通的“U”形发电管道201的水平区段202内的金属液体回流进入所述储液连通室302，实现导电液体金属质量减少且液柱高度降低，注液泵304受外界控制以用于将所述储液室301的导电液体金属206注入到所述储液连通室302，进而实现与所述储液连通室302连通的“U”形发电管道201的水平区段202内的金属液体质量增加且液柱高度增加。通过改变所述“U”形发电管道201内的导电液体金属206的质量和液柱高度，以使自身与所述振动单元共同组成的运动部分的固有频率改变，以与各种不同频率的波浪产生共振。

图5中还包括括控制单元，其包括超声波传感器401，该超声波传感器401位于所述储液室301顶部，以用于测量所述储液室301内部的导电液体金属206的质量，控制单元还包括压强频率传感器402，该压强频率传感器浸没在海水中，以用于测量波浪的压强大小而得到波浪的频率，控制单元还包括微控制器403，微控制器403分别与所述超声波传感器401和所述压强频率传感器402以电缆404连接，且同时与所述排液泵303和所述注液泵304以电缆404连接，微控制器403用于接收来自所述压强频率传感器402和所述超声波传感器401的信号并进行处理，以根据处理结果控制所述排液泵303或所述注液泵304对所述“U”形发电管道内进行排液或者注液，以控制其内导电液体金属206质量和液柱高度变化，实现实时控制运动部分的固有频率的调节。

图6和图7分别为控制单元对频率调节的控制过程和算法流程图，其具体的控制过程为：

(1)浸没在海水中的压强频率传感器感受波浪的压强变化，并且将该变化转换成电信号输送给控制单元。

(2)控制单元分析电信号得到波浪的频率。

(3)控制单元根波浪频率查得此时达到共振时U型发电管道内导电液体金属的理想质量。

(4)安装在储液室顶部的超声波传感器将储液室内液态金属的液位信号传递给控制单元。

(5)控制单元根据液位信号计算出此时U型发电管道内实际的导电液体金属质量(液态金属总质量不变)。

(6)控制单元计算出U型发电管道内导电液态金属的实际质量和理想质量的偏差，并通过泵进行抽注液操作以改变U型发电管道内液态金属质量，直到偏差小于一个设定值。即实现了控制单元对调频单元的控制，从而实现了运动部分频率的实时调节。

本发明装置的特点是具有很强的自调节性与适应性，U型管发电管道的数量可根据海况决定，并不限定为两个，波浪振幅大时，可以打开多个U型管发电管道同时发电，波浪振幅小时则可关闭数个发电通道。

本发明装置中关于U型发电管道的扩展形式如图8所示，图8中具有4个发电管道，相应的多通管道为五通管道，其中心接口为一个，周边接口为四个，中心接口与气缸顶部连通，周边接口分别与四个发电管道的竖直端的端口接通，以将气缸内压力变化传递给发电管道内的导电液体金属206。

采用上述方案后，本发明一定程度上解决了能量传递环节多以及能量转换效率小的问题，除此之外，本发明使装置对各种频率的波浪均有较高的发电效率。本发电装置具有结构简单，能量转换环节少，可自动调节固有频率的特点，可实现不同频率波浪能的高效率转化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁流体共振的波浪能发电装置，用于将海洋中波浪蕴藏的机械能转变为电能，其特征在于，其包括

振动单元，所述振动单元包括处于海面且中间具有通孔的起支撑作用的海上平台(101)，穿过所述通孔且一端连接有浮子(102)另一端连接有活塞(103)的竖杆(104)，容置所述活塞的气缸(105)，与气缸顶部连通的多通管道(106)，所述多通管道(106)包括一个中心接口(107)和多个周边接口(108)，所述气缸与其中心接口连通，所述浮子浸没在海水中随海水波浪浮动而上下运动，并通过所述竖杆带动活塞在气缸内往复运动而使气缸内气体压强增大或者减小；

发电单元，所述发电单元包括被所述海上平台(101)支撑的多个外形呈字母“U”形的发电管道(201)，所述发电管道包括位于其底部的水平区段(202)和分别位于所述水平区段两侧且在其端部具有端口的两个竖直区段(203)，所述水平区段横截面为矩形，所述发电管道(201)的水平区段(202)用于容置导电液体金属(206)，所述水平区段(201)的相对两个面上均安装有磁铁(204)，所述位于同一个面上的磁铁的极性相同，所述水平区段(201)的相对的另两个面上分别安装有电极(205)；

所述发电管道(201)竖直区段(203)的端口与所述多通管道(106)的周边接口连通，以使所述气缸与所述发电管道通过所述多通管道连通，所述气缸(105)内的气体压强增大或者缩小后使与气缸连通的发电管道水平区段内的液体金属(206)往复振荡，以切割所述磁铁产生的磁感线而在与磁感线垂直的方向上产生电势差，该电势差被所述电极收集形成电能即实现发电。

2.如权利要求1所述的一种基于磁流体共振的波浪能发电装置，其特征在于，还包括调频单元，该调频单元包括

储液室(301)，其为中空的容器，用于储存所述的导电液体金属(206)；

储液连通室(302)，其为中空的容器，其与所述储液室(301)底部分别以排液管(322)和注液管(332)连通，且还与所述多个发电管道(201)的水平区段分别通过多个输液管(312)连通；

排液泵(303)，其位于连通所述储液室与所述储液连通室的排液管(322)上，该排液泵(303)受外界控制以用于将所述储液连通室的导电液体金属(206)排出到所述储液室，进而使与所述储液连通室连通的发电管道内的导电金属液体回流进入所述储液连通室，实现其质量减少且液柱高度降低；

注液泵(304)，其位于连通所述储液室与所述储液连通室的注液管(332)上，该注液泵(304)受外界控制以用于将所述储液室的导电液体金属(206)注入到所述储液连通室，进而实现与所述储液连通室连通的发电管道内的金属液体质量增加且液柱高度增加；

通过改变所述发电管道内的导电液体金属(206)的质量和液柱高度，以使自身与所述振动单元共同组成的运动部分的固有频率改变，以与各种不同频率的波浪产生共振，以共振产生的导电液体金属的剧烈运动切割磁感线而高效产生电能。

3.如权利要求2所述的一种基于磁流体共振的波浪能发电装置，其特征在于，所述调频单元还包括电磁阀(305)，其位于所述输液管(312)上，每个所述的输液管上具有一个该电磁阀，所述电磁阀受外界控制以实现自身所在的输液管的开闭，以实现所述导电液体金属(206)进入相应发电管道，实现该发电管道发电。

4.如权利要求2或3所述的一种基于磁流体共振的波浪能发电装置，其特征在于，所述调频单元还包括气阀(306)，所述气阀(306)位于所述储液室(301)的盖子上，其用于连接大气与所述储液室的内部空间，用以平衡所述液态金属的液面变化时产生的气压差。

5.如权利要求1-4之一所述的一种基于磁流体共振的波浪能发电装置，其特征在于，还包括控制单元，其包括

超声波传感器(401)，该超声波传感器位于所述储液室(301)顶部，以用于测量所述储液室(301)内部的导电液体金属(206)质量；

压强频率传感器(402)，该压强频率传感器浸没在海水中，以用于测量波浪的压强大小而得到波浪的频率；

微控制器(403)，该微控制器分别与所述超声波液位传感器(401)和所述压强频率传感器(402)以电缆(404)连接，且同时与所述排液泵(303)和所述注液泵(304)以电缆(404)连接，用于接收来自所述压强频率传感器(402)和所述超声波液位传感器(401)的信号并进行处理，以根据处理结果控制所述排液泵(303)或所述注液泵(304)对所述发电管道进行排液或者注液，以控制其内导电液体金属(206)质量和液柱高度，实现实时控制导电金属液体和所述振动单元共同组成的运动部分的固有频率的调节。

6.如权利要求1-5之一所述的一种基于磁流体共振的波浪能发电装置，其特征在于，所述导电液体金属为镓合金或汞的一种或者多种。

7.如权利要求1-6之一所述的一种基于磁流体共振的波浪能发电装置，其特征在于，所述发电单元的磁铁呈片状，所述片状磁铁贴合在所述发电管道中横截面呈矩形的水平区段的两个相对的外壁面上。

8.如权利要求1-7之一所述的一种基于磁流体共振的波浪能发电装置，其特征在于，所述发电单元的磁铁为永磁铁，优选为钕铁硼强磁铁。

9.如权利要求1-8之一所述的一种基于磁流体共振的波浪能发电装置，其特征在于，所述发电单元的金属电极具有多对，位于所述发电管道一个壁面的金属电极和另一个壁面金属电极中电势相等或者接近的电极相电连接，两个壁面上电势相差最大的电极分别连接外部蓄电池或者负载。

10.一种应用如权利要求1-9之一所述的装置进行发电的方法。