基于波浪能的海洋浮标发电系统

(1)
力 F 可分别用关于浮标位移Baidu NhomakorabeaS(t)的函数表示为
浮力 Ffd 、发电机的反电磁力 Fd 与浮标所受合
月 2012 年 6 月 表2
参数 极距 τ/mm 每极永磁体厚度/mm 每极永磁体长度 bm/mm 定子铁芯的长度 L1/mm 定子中心轴直径 D1/mm 定子中心轴长度 L/mm 每相串联匝数 w1 线圈绕组分布系数 kw 极对数 p 动子线圈内径 D3/mm 动子线圈外径 D4/mm 动子线圈齿间距 t1/mm 动子线圈槽宽 bt/mm 动子线圈槽深 ht/mm

(5)
式中
z ——浮标相对于定子的位移 v ——浮标相对于定子的位移速度
(6)
对浮标稳态运行进行分析，可以看出浮标的位 移为与波浪角速度 相同的正弦变化，幅值 gbA 2b sin A0 2 2 2 π 4 gb 2 2 m C0
——极距 N j ——每相的线圈匝数
图3 圆筒型永磁直线发电机的结构简图 表1
参数 相数 m 功率因数 cosφ 电磁力 F/N 额定电压 U/V 同步效率 ηs 额定频率 fN/Hz
发电机的设计指标
数值 3 0.870 50 24 0.480 10
2
2.1
运动建模
受力分析
图1
海洋浮标发电系统
浮标的运动状态与发电机的各参数之间存在着 复杂的相互制约关系。本文从浮标的受力分析入手， 根据浮标对波浪的响应，分析各参数之间关系[14-15]。 发电机额定运行时，浮标随波浪纵向往复运 动，主要受到三个力的作用：在海水中的浮力 Ffd ， 浮筒自身的重力 G ，以及发电机的反电磁力 Fd 。浮 筒所受合力
国家自然科学基金(51179159)、国家高技术研究发展计划(863 计划， 2011AA8094401) 和教育部博士点博导类基金(20116102110009) 资助项 目。20110902 收到初稿，20120430 收到修改稿
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机
械
工
程
学
报
第 48 卷第 12 期期
的复杂性和能量损耗，降低系统的转换效率和可靠 性，并且造价较高。 为了克服现有波能发电装置的各项缺陷，本文 设计了一套基于波浪能的海洋浮标发电系统，将永 磁直线发电机应用到发电装置中，这样波浪的直线 运动直接传递到直线发电机的运动部件上，并去掉 了中间传递环节，从而为简化系统结构、提高系统 转换效率、降低系统造价创造了有利条件。 本文对海洋浮标进行了运动建模与参数分析； 并基于 Matlab 对发电机在不同海况下进行了仿真， 根据仿真结果来分析波高与频率对发电机性能的影 响。本文研究结果可以指导导磁结构的圆筒型直线 发电机的理论研究，并为基于波浪能的海洋浮标发 电系统的工程应用提供依据。
宋保维等：基于波浪能的海洋浮标发电系统 发电机的结构尺寸
数值 40 10 5 640 20 1 200 200 1 2 51 95 13.3 5.3 16
141
Ffd
gbA
π
sin
2πb

式中
(t ) Fd C0V C0 S (t ) F ma mS

sin t 4 gb2 S (t ) G
随着经济和社会的发展，人类对能源的需求量 越来越大，而全球的能源储备量却是有限的。为了 解决能源供应在社会发展中的瓶颈问题，寻找替代 的可再生能源已经成为全球的共识。由于海洋面积 约占全球面积的 70%，其中蕴藏着巨大的能量，这 就使它吸引了人们的目光，并使世界上许多国家都 着手对其进行研究。 近年来， 各国先后提出了约 340
1.2
永磁直线发电机设计
圆筒型永磁直线发电机是由动子线圈和定子 磁极组成。图 3 为永磁结构圆筒型直线发电机的结 构简图。 从图 3 可以看出， 动子线圈上有 12 个饼式 线圈组成的三相绕组，中心轴、铁心和永磁体磁极 组成定子并与锚系相连。铁心具有导磁作用，中心
F Ffd G Fd
，14]
A sin t (12) 2 dz A cos t (13) v dt 2 由式(10)～(13)整理得 d jf Ej dt d jf dz π π A N j j sin z cos t dz dt 2 z (14)
j ——峰值磁通
由式(11)知


(7)
设额定波浪为波长 、浪高 A 、角频率 恒定 不变的正弦简谐波。 为使发电机浮标能够稳定运行， 必须保持其幅值不大于激励波浪的幅值。为了在浮 标稳定运行的前提下尽量提高发电机功率，令浮标 运行幅值 A0 等于波浪的幅值 A 2 ，即[14] A A0 (8) 2 浮标稳态运动方程为 A S (t ) sin t (9) 2 2.3 电动势求解 发电机的相电动势可确定如下[8
(2) (3) (4)
m ——浮标总质量 ——海水密度
b ——浮标等效边长 r ——浮标半径 πr 2 4b 2 ——波浪波长 A ——波浪波高 ——波浪角频率 C0 ——电磁阻力系数
2.2
参数推导 把式(2) ～(4) 代入式(1)得出关于浮标直线位移 S(t)的微分方程
16 gb 2 m C 2 0 t C2 2m 2b sin sin t t
16 gb 2 m C 2 C t 0 S (t ) exp 0 C1 cos 2 2 m m gbA

式(5)中的稳态分量为 S (t ) A0 sin t
4 gb
2
m
2

2
C
2 0
2
第 48 卷第 12 期 2012 年 6 月
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学 报
Vol.48 Jun.
No.12 2012
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2012.12.139
基于波浪能的海洋浮标发电系统*
宋保维 丁文俊 毛昭勇
西安 710072) (西北工业大学航海学院
摘要：波浪能是一种新型的清洁能源，近几年提出多种对波浪能进行开发的方案，但大多都是在波浪和发电机之间加入转化 装置，这样效率低，成本高。为简化波能转化装置，提高波浪能的利用率，降低波能转化装置的成本，设计一套基于波浪能 的海洋浮标发电系统，可以直接将波浪能转化为电能。详细叙述海洋浮标发电系统方案设计；并对海洋浮标进行运动建模和 参数推导分析；基于 Matlab 对发电机在不同海况下进行仿真，得到空载电压波形，根据波形理论分析出影响发电机性能的主 要因素为波高和频率。理论分析及仿真结果可以指导导磁结构的圆筒型直线发电机的理论研究，并为基于波浪能的海洋浮标 发电系统的工程应用提供依据。 关键词：波浪能 圆筒型永磁直线发电机 海洋浮标 波浪发电 中图分类号：TM359
Abstract： Wave energy is a new type of clean energy. In recent years, several approaches to extract wave energy have been presented., however, most of which with low efficiency and high cost are joining a mechanical conversion device between the waves and the electromagnetic generator. In order to simplify the structure of wave energy converters, improve the utilization rate of wave energy and reduce the cost of wave energy converters, a conversion system of ocean buoys which can produce energy directly based on sea wave energy is proposed. The design of the program of the conversion system is explained in detail. The movement of the ocean buoy is modeled and the parameters are analyzed. The performance of the generator is simulated under different sea conditions by Matlab. And the waveforms of the no-load voltage are obtained. Then the main factors affecting the performance of the generator, which are the height and frequency of the wave, are analyzed theoretically according to the waveforms. The theoretical analyses and the simulation results could be used for the theoretical study of permanent magnet tubular linear and engineering applications of the conversion system of ocean buoys. Key words：Wave energy Tubular permanent magnet linear generator Ocean buoy Wave power generation
3
模拟仿真
Ej
d jf dt
0
前言
*
多种不同设计方案的科学设想，并设计出了许多精 妙而有趣的波能发电装置[1]。 目前波能发电装置的主要形式有活动点头鸭、 波面筏、振荡水柱型、水流型和压力柔性袋型等装 置[2-5]。国外方面，英国已建成 750 W 规模的商业 波浪发电站并网发电[6]；日本海洋科学技术中心研 制的“巨鲸”波浪发电装置已试验成功[7]；美国俄 勒冈州立大学的 RHINEFRANK 等[8]已开发了一套 基于海洋能的永磁直线发电浮标。国内方面，中科 院广州能源研究所成功开发了利用对称翼透平的航 标灯和振荡水柱式的波浪发电站[9]。但是，这些方 案大都引入了能量转化装置，这样必然会增加系统
Conversion System of Ocean Buoys Based on Wave Energy
SONG Baowei DING Wenjun MAO Zhaoyong
(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072)
图2 发电系统结构简图
轴采用质量较小的非导磁材料。永磁体采用钕铁硼 材料，牌号为 N-38SH[10]。表 1 给出了该发电机的 设计指标[11]，表 2 给出了发电机的结构尺寸[12-13]。
1
1.1
海洋浮标发电系统方案设计
海洋浮标总体设计 本文的海洋浮标的波浪发电系统由圆筒型永
磁直线发电机和浮标组成，浮标和发电机的动子线 圈相连。 波浪的上下起伏使海洋浮标上下直线运动， 带动动子线圈直线运动，使动子线圈相对于与锚系 相连接的永磁直线电机的永磁体磁极作相对的上下 直线往复运动， 从而切割线圈绕组产生感应电动势， 转化为海洋浮标的运动的动能。本文是针对小型化 波浪发电系统的研究，所设计的浮标直径为 0.4 m， 长度为 1.2 m。图 1 为海洋浮标发电系统；图 2 为 发电系统结构简图。