一种海洋波浪冲击动载荷利用设备

1.本发明属于海洋可再生能源利用领域，更具体地，涉及一种海洋波浪冲击动载荷利用设备。


背景技术：

2.液态金属磁流体发电的原理是法拉第电磁感应定律，在外力的驱动下液态金属以切割磁感线的运动形式通过磁场，由于洛伦兹力作用会在两侧电极产生感应电动势，通过外接负载输出电能。凭借其结构简单，与低速、大推力输入特效匹配性好等优点，液态金属磁流体发电技术对于开发海洋能等可再生能源极具潜在优势。对此，国内外学者开展液态金属磁流体发电的实验设计和系统发电设备研究，期望能将该技术加以推广，并实现液态金属磁流体发电在海洋能等相关可再生能源的成熟利用。
3.液态金属磁流体波浪能直接发电系统是采用液态金属磁流体发电技术，将波浪的起伏运动转换成液态金属的往复运动从而进行发电。sara在美国海军onr的支持下于2002年研制出一套mhd波浪能直接发电系统的演示装置，并成功进行了发电实验演示，验证了该方法的可行性，并于2008年研制出一台100kw的液态金属磁流体波浪能直接发电实验样机，该设备能将能量转化效率提升至50%左右。2005年中国科学院电工研究所在国内首次提出将新型液态金属磁流体技术应用于波浪能发电，2008年底成功研制了一台原理性演示装，2012年开发了2kw液态金属磁流体波浪能发电试验样机。
4.目前利用液态金属磁流体将波浪能转换为电能的方式普遍存在能量转变效率低，对海域环境的适应性差、可靠性不高的问题。同时通过悬浮或漂浮式的柔性转换结构对波浪能的吸收只能利用海面波浪的波动能量，一定程度上限制了波浪冲击的能量捕获。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种能量转化效率高、安全性强的海洋波浪冲击动载荷利用设备，通过采用液态金属磁流体波浪能直接发电系统将海洋中波浪载荷的动态分布与磁流体相关特性相结合，可有效提升能量转变效率，促进海洋能源利用形式的开发。
6.本发明采用的技术方案为：一种海洋波浪冲击动载荷利用设备，包括设于水面的环体磁感应发电设施和内能捕获设施；所述环体磁感应发电设施分为海水接触段、非海水接触段，其中所述海水接触段配置多个功能层，由内至外包括磁感应发电层、消能抗冲击结构层、气动压力分布层以及最外层的外部弹性吸收层；所述磁感应发电层包括铁芯、包裹于铁芯外部的主线圈和所述主线圈外部的磁流体液，其中所述磁流体液均匀分布；所述气动压力分布层中均匀分布静态的原气体以及圆形气动机，气动压力分布层内通过气压管道联通，使得该层内的空气可以通过气压管道进行增减；所述外部弹性吸收层内设有规则分布的透水孔，用来感应海水压力；
所述非海水接触段配置多个功能层，由内至外包括磁感应发电层、消能抗冲击结构层、气动传导层以及位于所述气动传导层外围的空腔外壳，其中所述磁感应发电层包括铁芯、包裹于铁芯外部的主线圈和所述主线圈外部的磁流体液，所述磁流体液均匀分布，所述空腔外壳用于传导过渡气压力；所述内能捕获设施左右对称设置于所述环体磁感应发电设施的水平两侧，用于储存电能，且在结构上分别包覆所述环体磁感应发电设备的非海水接触段，使得内能捕获装置与所述空腔外壳相接触，将内能捕获设施提供的气压传导至非海水接触段的气动传导层，以补充非海水接触段的环体磁感应发电设施压力分布的需要。
7.优选的，所述海水接触段与非海水接触段之间隔着一层过渡段，所述过渡段由内至外依次包括所述磁感应发电层、所述消能抗冲击结构层以及结构强化层和抗冲击层；其中抗冲击层和结构强化层在海水接触段与非海水接触段之间进行介质过渡，以防止海水渗入至非海水接触段内，所述结构强化层由真空区和环氧树脂复合材料填充区间隔分布组成，不与内部消能抗冲击结构层发生交互。
8.优选的，所述消能抗冲击结构层由多层的波浪形抗冲击材料进行不规则重叠组成，可弱化外部强大冲击，起到保护内部核心功能层的作用；所述抗冲击材料为聚碳酸酯、abs、聚四氟乙烯中的一种。
9.优选的，所述内能捕获设施内包含带有副线圈的储能装置、蒸汽压力生成装置以及与所述蒸汽压力生成装置相连接的液压气动装置和储气传导装置。
10.优选的，所述蒸汽压力生成装置包括罐体和设于罐体内部的导热铜片；所述储能装置外部包裹导热壳，该导热壳与导热铜片相连，用于将热量传输到装有一定量海水的罐体；所述罐体外部设有连接外部海水的第一单向阀管道、连接液压气动装置的第二单向阀管道以及连接储气传导装置的传气管道。
11.优选的，所述罐体内的海水高度始终维持在所述第二单向阀管道以上、所述传气管道以下。
12.优选的，所述液压气动装置内通过第二单向阀管道连通罐体内的海水挤压活塞杆，所述液压气动装置内部下层填充一定量的气体，当液压气动装置工作时，传递气压到所述非海水接触段的空腔外壳。
13.优选的，所述储气传导装置内通过传气管道连接罐体内的蒸汽，所述储气传导装置通过第三管道连接压载舱，通过第四管道连接到所述非海水接触段的空腔外壳。
14.优选的，本发明的海洋波浪冲击动载荷利用设备还包括环体支撑机构，所述环体支撑机构设置于环体磁感应发电设施内部，通过6根导管架支撑连接起中心环状体，用来强化外部环状结构，并起到连接中心环状体的作用。
15.优选的，所述中心环状体内部设置有测位系统，将实时监测整个设备的位置及压力变化，以便于通过控制压载舱内部的海水变化，及时调整设备在海水中的相对位置。
16.采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：1.本发明公开了一种海洋波浪冲击动载荷利用设备，通过采用液态金属磁流体波浪能直接发电系统将海洋中波浪载荷的动态分布与磁流体相关特性相结合，有效地将波浪能转化为电能，提高了对海洋能的利用率，结构设计新颖，科学合理，且在对波浪能的吸收过程中并不影响原生态环境。
17.2.本发明通过内能捕获设施对磁感应发电过程中的热能加以利用，能有效提高波浪能转化效率，避免了磁感应发电过程中的热能自然消散。
18.3.通过在环体磁感应发电设施外层设置气动压力分布层，可在外部巨大波浪冲击时通过层内联通的气压管道，调整层内压力均匀以提高内部磁流体流场均匀性，促进电能转化，同时在紧邻气动压力层内层采用由多层的波浪形抗冲击材料进行不规则重叠组成的消能抗冲击结构层，可起到进一步弱化外部强大冲击、防止内部结构变形响应的作用，使得本设备的内部发电设施具有较高的抗冲击性能和安全性，气动压力分布层和消能抗冲击层结合进行发电设施的整体受力调整，应力集中小，能量利用率高，能较好地吸收转化波浪能。
附图说明
19.图1为本发明海洋波浪冲击动载荷利用设备的结构示意图。
20.图2为本发明海洋波浪冲击动载荷利用设备的主视结构示意图。
21.图3为本发明海洋波浪冲击动载荷利用设备的俯视结构示意图。
22.图4为本发明海洋波浪冲击动载荷利用设备的俯视半剖结构示意图。
23.图5为本发明内能捕获设施的结构示意图。
24.图6为本发明非海水接触段的环体磁感应发电设施内部横剖面结构示意图。
25.图7为本发明海水接触段的环体磁感应发电设施内部横剖面结构示意图。
26.图8为本发明环体磁感应发电设施海水接触段与非海水接触段中间过渡段的内部横剖面结构示意图。
27.图9为本发明环体磁感应发电设施内部的消能抗冲击结构层示意图。
28.附图标记：环体磁感应发电设施1、内能捕获设施2、环体支撑机构3、压载舱4、蒸汽压力生成装置5、储能装置6、导热壳7、填充气体8、液压气动装置9、第二单向阀管道10、海水接触段的环体磁感应发电设施11、非海水接触段的环体磁感应发电设施12、过渡段的环体磁感应发电设施13、透水孔14、磁感应发电层15、环状铁芯16、空腔外壳17、气动传导层18、消能抗冲击结构层19、磁流体液20、主线圈21、外部弹性吸收层22、气动压力分布层23、气压管道24、刚性抗冲击层25、结构强化层26、导热铜片27、第三管道28、罐体29、第一单向阀管道30、储气传导装置31、传气管道32、第四管道33、导管架34、中心环状体35。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案更加清楚，下面将结合附图与实施例，对本发明的技术方案进行进一步地详细说明。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。
30.如图1、图2所示，本发明整体与海平面平行，包括设于水面的环体磁感应发电设施1和内能捕获设施2，所述内能捕获设施2左右对称设置于所述环体磁感应发电设施1的水平两侧，分别包覆所述环体磁感应发电设备1；所述环体磁感应发电设施1分为海水接触段11、非海水接触段12，其中的非海水接触段12被上述内能捕获设施2包覆。
31.图3、图4和图7中，海水接触段11配置多个功能层，由内至外包括磁感应发电层15、消能抗冲击结构层19、气动压力分布层23以及最外层的外部弹性吸收层22。所述磁感应发
电层15包括铁芯16、包裹于铁芯16外部的主线圈21和所述主线圈21外部的磁流体液21，其中所述磁流体液20均匀分布；所述气动压力分布层23中均匀分布静态的原气体以及圆形气动机，气动压力分布层23内通过气压管道24联通；所述外部弹性吸收层22设有规则分布的透水孔14。
32.波浪发生时，在海水接触段11中，外部弹性吸收层22接触到带有一定动载荷的海水，其载荷会施加在弹性层内部，此时气动压力分布层23中原有的均匀分布的气体将会受到外部海水动载荷的影响，均匀分布的压力会通过圆形气动机将感应到的载荷重新分布，并通过气压管道24传导给消能抗冲击结构层19内的磁感应发电层15，使得原先均匀分布的磁流体液20受到不同等级的压力影响发生不同程度的位移，发生位移后的磁流体液20结合主线圈21的作用产生磁感应现象。另外在内能捕获设施内的副线圈组会感受到一定的电势差，这时其中储能装置便可以捕获电能。
33.如图6所示，非海水接触段12配置多个功能层，由内至外包括磁感应发电层15、消能抗冲击结构层19、气动传导层18以及位于所述气动传导层18外围的空腔外壳17；其中所述磁感应发电层15包括铁芯16、包裹于铁芯16外部的主线圈21和所述主线圈21外部的磁流体液20，所述磁流体液20均匀分布。
34.非海水接触段12通过被内能捕获设施2包覆，由内能捕获设施2提供给气动传导层18以压力，所述空腔外壳17在外层用来传导过渡气压力，以进一步促进非海水接触段12的磁流体液20发生位移运动。
35.其中，如图9所示，在环体磁感应发电设施1内设置的消能抗冲击结构层19由多层的波浪形抗冲击材料进行不规则重叠组成，用于保护内部核心功能层；所述抗冲击材料为聚碳酸酯、abs、聚四氟乙烯中的一种。
36.图5是本设备中内能捕获设施的结构示意图。如图所示，所述内能捕获设施内包含带有副线圈的储能装置6、蒸汽压力生成装置5以及与所述蒸汽压力生成装置5相连接的液压气动装置9和储气传导装置31。其中，蒸汽压力生成装置5包括罐体29和设于罐体29内部的导热铜片27；储能装置6外部包裹导热壳7，所述导热壳7与导热铜片27相连，用于将热量传输到装有一定量海水的罐体29；所述罐体29通过第一单向阀管道30连接外部海水，用于控制外部海水的流入；罐体29通过第二单向阀管道10连接液压气动装置9，所述液压气动装置9的内部上层有海水挤压着活塞杆，其内部下层填充一定量的气体8，当液压气动装置9工作时，传递气压到所述非海水接触12段的空腔外壳17；同时罐体29通过传气管道32连接储气传导装置31以接通罐体29内部的蒸汽，所述储气传导装置31通过第三管道28连接压载舱4，通过第四管道33连接到所述非海水接触12段的空腔外壳17。
37.其中，罐体29内的海水高度始终维持在所述第二单向阀管道10以上、所述传气管道32以下。
38.当内能捕获设施工作时，通过导热壳7将磁感应发电过程中耗散的热能传输给装有一定量海水的罐体29，罐体29内部的海水被持续加热产生一定的蒸汽，蒸汽将通过传气管道32传输到储气传导装置31，储气传导装置31负责储存气体，将气压传送到环体磁感应发电设备1的非海水接触段12外层的空腔外壳17，并可根据气压控制压载舱4内部海水的进出。同时液压气动装置9内部上层通过罐体29内部的海水挤压着活塞杆，其内部下层为一定量的气体8，形成的气压也将传递到所包覆的环体磁感应发电设备1的非海水接触段12外层
的空腔外壳17。
39.在环体磁感应发电设备1内，海水接触段11与非海水接触段12之间隔着一层过渡段13，以防止海水有海水接触段11渗入至非海水接触段12内，该过渡段13的环体横剖面结构如图8所示，由内至外依次包括所述磁感应发电层15、所述消能抗冲击结构层19以及结构强化层26和刚性抗冲击层25；其中结构强化层26由真空区和环氧树脂复合材料填充区间隔分布组成，可达到其不与内部消能抗冲击结构层发生交互的作用。
40.如图3所示本发明的海洋波浪冲击动载荷利用设备包括环体支撑机构3，所述环体支撑机构设置于环体磁感应发电设施1内部，通过 6根导管架34支撑连接起中心环状体35，在中心环状体35内部设置测位系统，对整个设备的位置及压力变化进行实时监测。
41.以上所述实施例仅为说明本发明的技术思想，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的技术思想和原则之内，在技术方案基础上所做的任何改动、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。