用于波浪能收集的振动发电技术研究

• 作 者: 吴丝竹
• 出 处: 河北工业大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 波浪能 能量采集 动力学特性 磁场分布 有限元

我国海洋经济得到快速发展,近年来,在沿海以及孤岛等区域放置许多浮标,对海域变化状况进行监测,传统的蓄电池供应以及新生的风力发电装置、光伏发电等未能完全解决持续供电问题,给实时监测海域和站点通信带来困扰。因此,为解决分布式浮标设备的用电问题,本文基于电磁发电机技术和波浪振动特点对波浪发电技术进行研究。首先,对波浪发电装置的结构进行设计。通过对比分析多种拾振机构的优缺点,提出基于压缩弹簧和单摆的两自由度拾振机构,将波浪振动的直线运动转换为波浪发电机动子的旋转运动,避免往复直线运动惯性造成的机械能损失。由于波浪能直接作用在浮标上的是位移振动,不能直接将力矩作用在动子上,为防止电磁转矩的作用,采用无铁芯结构设计新型电磁式波浪发电机。利用有限元分析软件comsol对波浪发电机的磁场分布和线圈中的磁通进行计算,分析不同气隙下的磁场分布变化,并结合实际加工和装配精度,确定波浪发电机的电磁结构。其次,根据动力学特性和电磁感应原理,对波浪发电装置的机电耦合特性进行分析。利用拉格朗日方程建立发电装置的两自由度数学模型,描述在位移振动激励下线圈和摆锤的动力学特性,并基于该模型编写仿真程序计算正弦波浪振动激励下的系统响应,计算结果与商用仿真软件的计算结果一致,表明所提出模型的正确性。结合动子和线圈的运动参数,计算正弦波浪振动激励下的磁感应强度分布和线圈中的磁通变化,基于电磁感应模型计算发电机的输出电动势,并分析系统的频率特性、输出特性和机电能量转换效率。最后,制作波浪发电装置样机进行实验测试和分析。采用铝合金、钕铁硼永磁体、漆包线等制作发电机样机,并将其放置在一个浮标模型中进行测试。首先在实验室测试各个线圈的电动势相位变化关系,确定各个线圈的连接方式,其次基于Lm317设计和制作电能处理电路。模拟波浪能的振动特点,对发电装置在实验室进行测试,在幅值20cm、频率2Hz波浪的作用下,发电机输出电动势和平均功率分别为9.17V和467m W,可满足浮标内传感器和信号收发器的用电需求。