基于磁流体发电原理的海洋可再生能源利用中的基础问题研究

Ocean energy is a renewable clean energy. However, existing marine energy utilization devices are costly and have low reliability and can not play a role in the global energy structure adjustment and upgrading. There is an urgent need for near-micro energy support for widely distributed marine instruments and sensors. The project puts forward a simple, efficient and reliable small magnetohydrodynamics（MHD）power generation device with seawater，on the basis of the principle and experimental study of the early-stage MHD wave energy conversion. The main research contents include: application of Halbach surface array, trial production of small MHD power generation device based on seawater. Through theoretical analysis and experimental tests, the laws of magnetic fluid and energy transfer under regular wave action will be studied and clarified. Furthermore, the laws of magnetic fluid properties and energy conversion under typical irregular waves will be studied. The desalination mechanism of seawater generated by seawater magnetic fluid power generation will be revealed. The project achievements will provide theoretical guidance for the utilization of marine renewable energy, especially the utilization of marine renewable energy based on the principle of MHD power generation, which has important theoretical significance and academic value.

海洋能是可再生的清洁能源，但现有海洋能利用装置成本高，可靠性低，尚无法在全球能源结构调整升级中发挥作用。分布广泛的海洋仪器和传感器迫切需要获得就近微能量支持。本项目在前期磁流体波浪能转换原理与试验研究的基础上，创新提出了结构简单，高效可靠的基于海水的小型磁流体发电模型。主要研究内容包括：应用Halbach面阵列，试制小型磁流体发电装置；通过理论分析和实验测试，研究并阐明规则波浪作用下，磁流体特性和能量转换规律；进而研究典型非规则波浪作用下，磁流体特性和能量转换规律；揭示由海水磁流体发电产生的海水淡化机制。项目成果将为海洋可再生能利用，特别是基于磁流体发电原理的海洋可再生能源利用提供理论指导，具有重要的理论意义和学术价值。

海洋波浪能开发利用具有重要的现实需求和科学价值。传统的多级波浪能转换系统发电效率低下，而且机械和液压机构的维护很困难。磁流体发电技术，为给解决海洋波浪能转换中遇到的难题提供了一种可能。本项目着眼于海洋仪器设备和传感器的微能量需求，创新研究磁流体波浪能转换原理的发电模型；研究研究波浪作用下磁流体特性和能量转换规律。.首先，分析中国近海海域不同季度的波能密度和波浪能资源特点，完善磁流体波浪能转换单元模型。为充分发挥Halbach面阵列的优异磁性能，研究充磁方向对工作通道磁通密度的影响规律。使用Hanbach磁体布置可以减少电机定位力的波动，提高系统的稳定性。提出螺旋形液态金属磁流体波浪能发电模型，此设计提高了流场均匀性、大大降低磁流体通道内部流动损失，提高了磁场强度和磁场空间均匀性，进而提高发电效率。.其次，在液态金属磁流体的基本理论之上建立控制方程；数值模拟计算时依据是否具有负载特性选用不同的研究方法，有负载时选用电势法，空载时则选用感应磁场法；通过对导电流体为镓铟磁合金的液态金属磁流体发电机进行霍尔参数计算。对液态金属磁流体发电通道的动力特性和电磁特性进行分析研究。研究了发电通道宽度、外加磁感应强度和入口速度对发电通道内流场的分布、速度剖面波动程度以及发电通道末端端部效应等的影响程度；分析了相互作用参数与速度剖面波动程度和端部效应的相互关系；根据电磁学参数分析了发电通道参数对电磁功率、电磁效率以及输入功率的影响；研究了负载系数的变化对电参数的影响规律，当负载系数k=0.5时，输出功率达到最大，而发电效率在k=0.67附近取得最大值。负载系数越大，发电通道内部磁流体速度的射流现象越明显，越不利于发电机的发电性能；分析了发电通道内的特性，研究分析造成发电性能损耗的原因所在，对发电通道参数进行了优化，最终达到了提高电磁效率与发电性能的目的，为液态金属磁流体发电通道的研究提供了理论依据。通过建立新型活塞管道式磁流体发电机模型，在波浪能运动理论的基础之上，分析海水作为发电介质时发电性能，验证海水波浪能磁流体发电的可行性。同时，在波浪能浮子结构形状优化和直线电机定位力优化做了积极探索，为项目应用设计提供思路方法和理论依据 。.项目成果为海洋波浪能可再生能利用，特别是基于磁流体发电原理的海洋可再生能源利用提供理论指导，具有重要的理论意义和科学价值。