[0001] 本发明涉及液态金属磁流体发电系统，具体涉及一种基于磁流体发电的波浪能原位供电远程强声驱离系统。

[0002] 海洋强国建设是中华民族的伟大战略任务。2023年，我国海洋生产总值首次突破9.9万亿，同比增长6%，海洋制造业增速7%，海洋原油产量连续4年占全国原油总增量的60%以上，海上发电装机容量同比增长17%。海洋产业作为我国经济的“引擎”作用愈加强劲。随着海洋资源开发和海洋工程建设的快速增长，以海上作业警戒、海洋资源保护、岛礁权益保障为目的海上安防装备需求异常迫切。

[0003] 传统的海上物理围栏防护方式作用非常有限，船载高压水炮、催泪弹、烟雾弹、光电眩晕器等人工巡逻防护方式一则没有自主预警能力，二则时效性难以保证，而且容易引起事态升级。只有强声驱散器可同时具备远程喊话、警戒以及近程强声波驱离作用，且不受国际海上公约限制。由于海上作业逐渐趋向深远海发展，这使得适用于远海的海洋防卫装备首先要具备长时自供电能力，另外具有自主智能预警及打击于一体，从而才能实现无人值守下的主动目标预警及非致命性攻击驱离任务。公开号为CN111770401A发明专利申请公开了一种用于海上平台的强声驱散器控制系统，包括远程控制系统以及设置于海上平台上的强声驱散器：所述远程控制系统包括总控单元、声音录入单元、驱散调节单元、信号调和单元。通过设置强声驱散器控制系统，实现了对违规对象的驱散，也使海上生产作业的安全性得到了保障；通过设置升压降压模块，以便控制电压保持在强声驱散器的额定电压，保证了强声驱散器的正常工作。此发明只说明了强声驱散器系统的主要功能，没有实现基于海洋能的自供电技术。

[0004] 公开号为CN206895682U的实用新型专利申请提供一种水下强声驱逐装置，包括：控制机构、收放机构及电极阵。其采用等离子体声源，采用液电效应原理将高功率脉冲电容器存储的能量在液体中瞬间释放，形成巨大的脉冲电流，从而将电能直接变成爆炸机械能，形成超声速的激波向外传播，然后衰减成强声脉冲。产生的复合声波为突发性声音，其频带在0KHZ～10KHZ以内，声脉冲峰值源级203dB～220dB，脉冲声压大，使鱼类和蛙人感到厌恶从而驱离出指定区域，达到保护水上工程项目的目的。此专利申请的核心在于采用水下液电效应产生高功率强声脉冲来实现水下驱离，对于水表以及低空目标的入侵无能为力，且水下爆炸激波对于海洋生物的伤害性较大。

[0005] 申请号为CN20220203914.8的发明专利申请公布了一种具有报警功能的远程定向强声系统，其通过安装警报声控和警报灯进行报警，其没有说明供电驱动方式，也采用没有说明定向强声的具体型式。申请号为CN202222091611.4的发明专利申请公布了一种具有三级警戒的海上风电场电子围栏系统，其采用太阳能供电技术，由太阳能摄像头和强光照射以及警示单元，AIS‑VHF通信对话系统进行预警和全方位监控，由于海上气候快速变化，发电很难维持长时和夜间防护任务。

[0006] 由此可见，虽然目前有强声驱离系统应用于海上作业的防卫，但都是基于岸上或舰载供电，没有利用海洋能进行原位供电的强声防卫系统，如何实现海洋波浪能的高效稳定发电，并将其所发的电能直接应用于强声驱离系统的原位供电，具有重要的现实意义，也是目前海洋强国建设中亟需解决的技术难题。

[0007] 传统波浪能发电装置主要由一级波浪俘获系统、二级能量转换系统和三级发电机组成，按照波浪俘获系统的形式不同，主要包括振荡水柱式、振荡浮子式、越浪式、筏式等。这类系统由于存在能量的多级传递，系统结构复杂，造价非常昂贵，系统发电效率不高，而且运行维护难，是目前波浪能发电技术工程化所面临的一大难题。为此，国内外学者进行了大量的探索和研究，提出直驱式波浪能发电是实现波能高效利用的根本途径，目前形成了直线发电机和磁流体发电机两种系统。

[0008] 公开号为CN87106457A的发明专利申请公开了一种往复直线式波浪能发电机，其中扁平型永磁直线发电机装在浮标内，随浮体受波浪的作用而周期性摇摆，磁铁滑块相对内嵌线圈的平板做往复直线运动，切割运动磁场，通过电磁感应而是定子上绕组输出电能。然而，该系统受浮体摇摆运动的限制较大，发电机输出功率有限，只能用在浮标等小功率电器设备。申请号为CN200410009793.X的发明专利申请公开了一种基于永磁振子的波浪能发电装置，其中通过钢丝绳链接多个永磁直线发电机的永磁振子，随着波浪起伏，重锤拉动永磁阵子做往复运动，感应定子上的绕组感应出电能，该装置抗风浪性差，强风暴时要提前拖航至避风港，限制了其使用的灵活性。

[0009] 申请号为CN200810116532.6的发明专利申请公开了一种摇摆式波浪能液态金属磁流体发电浮管，其整个装置漂浮在海面上，液态金属随波浪的起伏在通道内流动，由于波浪动能沿横向差异小，因此通道内的液态金属流速很小，流动不均匀，发电功率小，且装置容易受风浪的影响非常大。申请号为CN201510661287.7的发明专利申请公开了一种环形通道液态金属磁流体发电机，其通过上下两组活塞和活塞缸形成发电通道，然而其环形磁体直接置于外部，存在漏磁和腐蚀风险，且装置的稳定性差，很难在海水中平衡。申请号为CN202410058571.4的发明专利申请公开了一种双盘式通道液态金属磁流体发电机，其采用盘式磁流体通道，轴向磁场，液态金属沿径向流动，产生切向的感应电流，其外加磁场的特征距离为盘式发电通道的周长，但其盘式通道中液态金属的流向要发生多次改变，导致流动损失较大，效率较低。

[0020] 下面将结合实施例和附图对本发明的技术方案进行更为清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不能理解为对本发明的限定，不构成对本发明专利保护范围的限制。

[0021] 图1是本发明具体实施例基于磁流体发电的波浪能原位供电远程强声驱离系统的整体结构示意图。如图1所示，该强声驱离系统包括：振荡浮子式捕浪装置，包括：振荡浮子1，周向对称分布，固连支撑支座（支撑支座位于振荡浮子顶部），通过联结支架装置与活塞杆4联结，用于在海浪冲击下上下运动，并带动活塞杆一起上下运动。联结支架装置，包括支撑杆2和支撑架3，其中，支撑杆2竖直向上支撑于振荡浮子1上方，与振荡浮子1通过螺栓固定，支撑杆另一端与支撑架3连接，支撑架3水平固定在支撑杆2上方，固定方式包括法兰螺栓固定；在图1的示例中示出了两个支撑杆2，分别位于两个振荡浮子1上方。活塞杆4，与支撑架3的中心固连，连接方式包括法兰螺栓或焊接，活塞杆4穿过过渡舱18通过联轴器7与液态金属磁流体发电机14的活塞9相连，活塞杆
4可跟随振荡浮子1一起受波浪激励而做垂向运动；活塞杆4位于功率驱动舱上部的部位可套有活塞杆水密套筒5，从而防止外界水汽进入舱内；活塞杆4与过渡舱18连接位置可采用多个密封环做防水密封处理。滑动轴承6，位于强声系统隔振底座中心，用于降低活塞杆4经过隔振底座时的摩擦阻力，并起到轴向限位的作用，与隔振底座对中，螺纹连接于过渡舱顶部。

[0022] 联轴器7，用于在过渡舱18内连接活塞杆4和活塞9；联轴器7可以采用梅花式挠性联轴器。

[0023] 电磁限位开关8，位于电能变换舱上部，用于检测活塞的垂向位移，其采用法兰螺纹固定于电能变换舱上部中心。

[0024] 液态金属磁流体发电机14，垂直对中布置于环向液态金属磁流体发电机舱10内部，底部通过安装基座固定于发电舱底板上，其内部具有活塞9，通过联轴器7与活塞杆4连接；液态金属磁流体发电机14包括环向分布的多极磁体15，位于液态金属磁流体发电机14的内、外液态金属发电通道的中间和外侧，通过基座与发电机舱底部固定。

[0025] 承压舱，包括：下部连接舱13，位于上部的环向液态金属磁流体发电机舱10和下部的阻尼底座12之间，与阻尼底座12固定连接，连接方式包括螺栓固定，内部设置进水阀及溢流阀，用于根据海况、风浪、压力等情况调节吃水深度，以最大程度保证安全性的同时实现波浪的最大捕获；环向液态金属磁流体发电机舱10，位于电能变换舱16与下部连接舱13之间，用于容纳液态金属磁流体发电机14；电能变换舱16，位于环向液态金属磁流体发电机舱10和过渡舱18之间，用于容纳电能变换系统17，电能变换系统17用于将液态金属磁流体发电机14产生的不稳定低压交流电转换成稳定的直流电，并由蓄电池进行蓄能；过渡舱18，位于电能变换舱16和强声系统隔振底座之间，用于匹配振荡浮子的垂向运动，限制振荡浮子不至于产生过大横向位移；各舱之间轴向同心式连接，连接方式可以包括螺栓连接或焊接，其中环向液态金属磁流体发电舱10、电能变换舱16全水密设计。

[0026] 阻尼底座12，与下部连接舱13通过螺栓连接；阻尼底座12可设有底座加强筋11，通过焊接方式沿下部连接舱13周向对称分布。

[0027] 强声驱散系统，位于过渡舱18上方，与过渡舱18通过强声系统隔振底座上的螺纹孔相连，强声驱散系统包括：强声系统隔振底座19；功率驱动舱20和功率驱动系统21，位于强声系统隔振底座19上方，用于将电能变换舱输出的电能供给各强声驱散器发射声波；强声驱散器22，对称分布于功率驱动舱20的上方。

[0028] 下面描述以上强声驱离系统工作的一个示例：在波浪的激励下，漂浮于海面上的振荡浮子1受到海浪冲击而上下运动，例如，波浪处从静平衡到波峰的上升阶段，振荡浮子1将垂直向上运动，其带动支撑杆2和支撑架3一起向上运动，同时带动固定连接的活塞杆4穿过活塞杆水密套筒5而向上运动，然后通过滑动轴承6穿过功率驱动舱20和过渡舱18后，通过联轴器7连接液态金属流体缸内的活塞9，其穿过电能变换舱16后带动环向液态金属磁流体发电机舱10内的液态金属磁流体流动从而实现直驱发电，电磁限位开关8检测活塞杆4位移上限从而保证活塞行程在可控范围内，同时电磁限位开关8与活塞杆连接位置采用多个密封环做防水密封处理。

[0029] 下面参考图2描述液态金属磁流体发电机14的一个示例性实现方式。图2是本发明具体实施例的基于磁流体发电的波浪能原位供电远程强声驱离系统的液态金属磁流体发电机的工作原理示意图。

[0030] 如图2所示，液态金属磁流体发电机14（图1沿发电机垂向中心的剖视图）包括：主磁流体发电通道14‑1，为圆柱形，其上下两端与第一辅磁流体发电通道14‑2和第二辅磁流体发电通道14‑3相通并固联，与活塞9成密闭的流体通道；
第一主磁体15‑1、第二主磁体15‑2、第三主磁体15‑3、第四主磁体15‑4，固定于主磁流体发电通道14‑1的外侧，通过安装底座固定于环型液态金属磁流体发电机舱的底板上，这四个主磁体为扇形分块式永磁体或电磁体，第一主磁体15‑1和第二主磁体15‑2产生磁场S极，第三主磁体15‑3和第四主磁体15‑4形成N极；
第一辅磁流体发电通道14‑2和第二辅磁流体发电通道14‑3，位于第一主磁体15‑
1、第二主磁体15‑2、第三主磁体15‑3、第四主磁体15‑4和第一辅磁体15‑5、第二辅磁体15‑
6、第三辅磁体15‑7、第四辅磁体15‑8、第五辅磁体15‑9、第六辅磁体15‑10、第七辅磁体15‑
11、第八辅磁体15‑12所形成的环形空间内，形状为扇形，连接方式与主磁体相同。

[0031] 第一辅磁体15‑5、第二辅磁体15‑6、第三辅磁体15‑7、第四辅磁体15‑8和第五辅磁体15‑9、第六辅磁体15‑10、第七辅磁体15‑11、第八辅磁体15‑12，为第一辅磁流体发电通道14‑2和第二辅磁流体发电通道14‑3的磁体，第一辅磁体15‑5、第二辅磁体15‑6、第三辅磁体
15‑7、第四辅磁体15‑8位于第二辅磁流体发电通道14‑3的外周，固连且包围第二辅磁流体发电通道14‑3，形成磁场N极。第五辅磁体15‑9、第六辅磁体15‑10、第七辅磁体15‑11、第八辅磁体15‑12位于第一辅磁流体发电通道14‑2的外周，固连且包围第一辅磁流体发电通道
14‑2，对应于磁场S极；以上所述磁体15‑1至15‑12是上述磁体15的一个实现方式；
主磁流体发电通道正电极14‑4和主磁流体发电通道负电极14‑5，固连于主磁流体发电通道14‑1外侧，分别位于第一主磁体15‑1和第四主磁体15‑4之间，以及第二主磁体15‑
2和第三主磁体15‑3之间，正负电极形成的电场方向与磁场方向正交。

[0032] 左侧辅磁流体发电通道正电极14‑6和左侧辅磁流体发电通道负电极14‑7，分别位于第一辅磁流体发电通道14‑2与第五辅磁体15‑9邻近的一端，以及与第八辅磁体15‑12邻近的一端；右侧辅磁流体发电通道正电极14‑8和右侧辅磁流体发电通道负电极14‑9，分别位于第二辅磁流体发电通道14‑3与第四辅磁体15‑8邻近的一端，以及与第一辅磁体15‑5邻近的一端。

[0033] 主磁流体发电通道14‑1的顶部和底部左、右两侧分别分出两个支路，上方与下方对应侧的支路分别与对应的第一辅磁流体发电通道14‑2和第二辅磁流体发电通道14‑3相联通，并与主磁流体发电通道14‑1前后两端相通并固联，每个磁流体发电通道外部布置扇形磁体，整体上形成一个主发电通道+两个扇形辅助通道，且共用内部径向磁场，如图1所示。

[0034] 液态金属在密闭的流体通道内随活塞的运动做垂直方向的往复运动。内外磁铁形成与流动方向垂直的磁场。平板型电极对贴在与流动方向平行的磁流体发电通道的内壁。液态金属可采用低熔点的合金，如NaK78或U47。液态金属的体积等于缸内活塞与磁流体发电通道形成的密闭流体通道的体积，以保证磁流体发电通道有效段内时刻充满液态金属发电工质。

[0035] 下面描述液态金属磁流体发电机14工作的一个示例：当活塞杆4向上运动时，带动主磁流体发电通道14‑1中的液态金属沿轴向向上运动（对应图中纸面向外发出），在第一主磁体15‑1、第二主磁体15‑2、第三主磁体15‑3、第四主磁体15‑4所形成的径向磁场作用下，将主磁流体发电通道14‑1产生的切向感应电流，通过两侧的主磁流体发电通道正电极14‑4和主磁流体发电通道负电极14‑5输出。同时，主液态金属磁流体通道内的液态金属在到达顶部后受压进入两侧的第一辅磁流体发电通道14‑2和第二辅磁流体发电通道14‑3，此时的液态金属改变方向为沿轴线向下运动，而磁场依然沿径向，此时在第一辅磁流体发电通道14‑2和第二辅磁流体发电通道14‑3的两侧同样会产生感应电流，由左侧辅磁流体发电通道正电极14‑6和左侧辅磁流体发电通道负电极14‑7以及右侧辅磁流体发电通道正电极14‑8和右侧辅磁流体发电通道负电极14‑9所连接负载输出该电流。

[0036] 在相反的波谷激励下，振荡浮子1向下运动，带动主磁流体发电通道14‑1内的液态金属沿轴线向下运动，这样左右两侧的第一辅磁流体发电通道14‑2和第二辅磁流体发电通道14‑3内的液态金属向上运动，对应电极电压正负极正好相反。由此，在波浪的反复激励下，液态金属发电机输出交变的电流。

[0037] 图3为本发明具体实施例基于磁流体发电的波浪能原位供电远程强声驱离系统的各功能模块连接示意图。图3示出了电能变换舱16的一个示例。如图3所示，电能变换舱16内的电能变换系统17包括功率变换系统17‑1，用于将磁流体发电系统输出的非稳态交流电转换成较稳定的直流电；电池储能系统17‑2，用于将功率变换系统输出的电能进行蓄能；能量管理系统17‑3，用于将蓄能电池中的电能根据不同用电模块的需求输出相匹配的电能。功率驱动系统21包括：检测系统驱动模块21‑4，用于为检测系统提供工作用电；中央控制系统供电模块21‑5，用于为中央控制系统提供工作电源；强声阵列驱动模块21‑6，用于为阵列强声驱散器提供驱动电源；中央控制系统21‑7，用于控制整个海上强声驱离系统的功能执行和信息反馈。

[0038] 在一个示例中，功率变换系统17‑1由并联式多通道电极、AC/DC变换模块、蓄能模块、DC/DC变换模块等组成。其工作的过程可以如下：液态金属磁流体发电机14两侧的主磁流体发电通道正电极14‑4、主磁流体发电通道负电极14‑5和左侧辅磁流体发电通道正电极14‑6、左侧辅磁流体发电通道负电极14‑7、右侧辅磁流体发电通道正电极14‑8、右侧辅磁流体发电通道负电极14‑9对应正负极并联引出到AC/DC变换模块的输入端，其输入电流为所有发电通道产生的总电流，经AC/DC变换模块后输出稳定的直流电，该直流电被输入给电池储能系统17‑2进行蓄能充电，电池储能系统17‑2受中央控制系统21‑7控制，一方面经过DC/DC变换模块始终为中央控制系统供电模块21‑5和能量管理系统17‑3供电，另一方面根据不同驱动指令输送给不同的功率驱动模块：检测系统驱动模块21‑4、强声阵列驱动模块21‑6，供能量管理系统按指令对指定的换能器供电，发出高功率强声波。

[0039] 图3还示出了第一强声驱散器22‑1、第二强声驱散器22‑2、第三强声驱散器22‑3和第四强声驱散器22‑4，这四个强声驱散器是图1所示强声驱散器22的一个示例性实施方式。图4示出本发明具体实施例的强声驱散器的布置示意图。如图4所示，强声驱散器22由强声换能器单元22‑5及其第一号筒22‑6、第二号筒22‑7和第三号筒22‑8，支撑架及隐藏连接线缆22‑9，旋转云台22‑10组成。在其顶部固定有红外摄像头23。

[0040] 在中央控制系统的指令控制下，将磁流体发电系统所产生的电能供给强声换能器单元22‑5。强声驱散器22内可设有多个强声换能器单元22‑5，这样可以通过阵列布置进一步增大驱散器发射的声压级，指向性更加聚焦。在图3所示示例中，第一强声驱散器22‑1、第二强声驱散器22‑2、第三强声驱散器22‑3、第四强声驱散器22‑4分别对应于东、西、南、北方向，置于功率驱动舱20的顶部，如图1所示，在使用时可通过旋转云台实现相邻三个强声驱散器共同朝向同一方向发射强声波，进一步增大其驱离效果。

[0041] 图3还示出了第一红外摄像头23‑1、第二红外摄像头23‑2、第三红外摄像头23‑3和第四红外摄像头23‑4，第一至第四红外摄像头各自安装在第一强声驱散器22‑1、第二强声驱散器22‑2、第三强声驱散器22‑3和第四强声驱散器22‑4的箱体顶部。第一至第四强声驱散器和第一至第四红外摄像头集装安装于旋转云台上，该旋转云台可以是箱体式旋转云台，统一受中央控制系统控制，旋转云台的方位角改变可改变每个强声驱散器和红外摄像头的作用方向。

[0042] 图3还示出了GPS定位系统24、水下声呐系统25和5G通信模块26、岸基指挥中心27，这些系统/模块位于图1所示的强声驱散系统之外。其中，5G通信模块26与中央处理系统连接，用于将第一至第四红外摄像头和水下声呐系统25所得的异常警报信息通过5G基站输送到岸基指挥中心27，同时接受岸基指挥中心27的动作指令。GPS定位系统24与中央控制系统相连，用于对海上目标的位置进行实时定位。

[0043] 图5示出上述强声驱散系统的工作过程示意图。如图5所示，在一具体实施过程中，中央控制系统控制第一强声驱散器22‑1、第二强声驱散器22‑2、第三强声驱散器22‑3和第四强声驱散器22‑4和第一红外摄像头23‑1、第二红外摄像头23‑2、第三红外摄像头23‑3和第四红外摄像头23‑4，GPS定位系统24、水下声呐系统25和5G通信模块26的通断和信号传输。红外摄像头、GPS定位系统和水下声呐系统实时监控从水面到水下目标区域的实际情况，通过GPS定位判断目标的运动速度和方向等信息。当有可疑目标驶入到本系统所在警戒范围内时，由红外摄像头发出警示提醒，将数据传输给中央控制系统，中央控制系统综合处理红外摄像头23、GPS定位系统24和水下声呐系统25数据，通过5G基站和发射天线传输给岸基指挥中心27；根据中央控制系统的动作指令，一方面调整某一方位的强声驱散器方位角，同时接通功率驱动模块21，进行高指向性预警喊话，并由红外摄像头23观察目标的动作，在检测到目标停止前进或返回后恢复各强声换能器单元的位置；如果未停止，则根据5G通信模块收到的强声驱散指令进行进一步打击，由中央控制系统控制强声驱散器的方位和功率驱动模块，调节各强声换能器单元的驱动功率、频率和相位，实现对目标的强声波跟踪打击，使得目标上的人员暴露在100dB以上的强声波辐射范围内，因强声波刺激而产生烦躁、恶心、疼痛、惊恐等生理和心理危害而实现驱离；根据红外摄像头23、GPS定位系统24反馈的目标移动信息，再次决定是否更为强烈的强声攻击，在收到指挥中心发出的阵列强声攻击指令后，通过中央控制系统分别调节强声换能器单元的指向性，并将其中3个强声驱散器调整到同一方向，从而进一步增强目标点的声压级。按照声压叠加原理，其相比单个强声驱散器，如果4个强声驱散器同时超向同一目标发出声波，其叠加声压级将提高6dB，从而再次增强强声驱散器的打击效果，同时也能增加其作用距离。

[0044] 在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施方式可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

[0045] 尽管根据有限数量的实施方式描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施方式。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。