一種新型衰減式波浪發電模型研究

《一種新型衰減式波浪發電模型研究》是依託東南大學，由余海濤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：一種新型衰減式波浪發電模型研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：余海濤
• 依託單位：東南大學

中文摘要

本申請提出一種由衰減式波浪能轉換器和Halbach永磁直線電機構成的新型波浪發電模型，研究在波浪能密度低、聚波難度大情況下，提高波浪能採集和發電系統效率。首先建立波浪能量轉換的流體動力學模型，編制數值計算程式，分析波浪對轉換器的作用以及波浪能被吸收的機理。根據自由振盪特性，採用數值方法最佳化設計衰減式波浪能轉換器。由於可以直接驅動直線發電機，能量轉換系統不需要用透平和變速等裝置，簡化結構，降低成本和系統損耗，提高了波浪能量轉換效率。接著建立電磁耦合模型，計算Halbach永磁直線電機的磁場分布。通過磁場計算，最佳化永磁陣列，提高氣隙磁場，減少高次諧波分量，改善輸出電壓性能。通過等效電路模型，最佳化電機繞組等結構，進一步提高波浪發電性能。圓筒型直線發電機結構對稱，能抵消電機徑向磁吸力。最後將波浪能量轉換器和永磁直線發電機系統封閉在一個細長的橡膠管中，製作發電系統模型，並進行波浪發電實驗。

結題摘要

直驅式波浪能轉換裝置是利用直線發電機將波浪能直接轉換成電能的一種發電裝置，該裝置由波浪能俘獲結構和波浪能轉換結構組成，其中波浪能俘獲結構通常為漂浮在海面的浮子結構，波浪能轉換結構採用直線發電機。本課題研究了波浪運動理論，並設計了一種適合近海域小波浪的平台式直驅波浪能轉換系統，對能量轉換系統的模型結構進行設計和分析，對系統用圓筒型永磁直線電機進行了結構設計和性能的最佳化分析，並搭建實驗平台測試系統，對系統的能量轉換過程與發電機的運行特性進行實驗研究，根據實驗數據對系統能量的轉換效率進行的分析。 本文的研究成果主要分為以下幾個方面： 1. 採用數學解析法對該裝置運行條件下的波浪分析，分析得出波浪的統一數學表達式。採用計算流體動力學軟體，套用流體體積函式法（VOF）建立二維的數值波浪水槽，並通過數值造波技術和消波技術對線性波浪進行數值模擬，得到線性波的時間特性和運行規律。 2. 採用解析法分別對系統用圓柱型體浮子、矩形體浮子、以及球形浮子進行分析，在相同海況下，得出圓柱型體浮子所受的波浪力最大。利用計算流體動力學軟體對圓柱型浮子和錐台型浮子進行分析，得出浮子周圍區域的速度矢量雲圖、壓強雲圖、壓力雲圖，並計算出浮子所受的波浪升力和阻力，得出浮子的入水深度與浮筒受力間的變化規律。 3. 分析了系統浮子的平均輸出功率、以及在浮子寬度內波浪的輸入功率，並得到直驅波浪能轉換系統的總的能量轉換效率。 4. 根據平台式直驅波浪能轉換裝置的設計要求，以及系統電磁負荷的需求，提出了一種圓筒型永磁直線發電機的設計方法，並根據直線電機的運行原理，對電機的等效電路和磁路進行分析，並計算出該電機的基本動態性能參數。 5. 通過研究電機初級和次級的結構參數來分析電機的電磁特性，提出了通過改變電機的初級齒槽結構和次級的永磁陣列結構，以及採用槽距和極距的最優匹配等方法來減小電機磁阻力波動。 6. 對電機採用Halbach永磁陣列結構的組成進行分析，研究永磁體的高度和寬度對電機動態性能的影響，分析電機電動勢的總諧波含量，並得出最佳化後Halbach永磁陣列結構。 7. 製作了圓筒型永磁直線電機的樣機和浮筒結構、搭建實驗平台測試系統，分別測試了發電機在恆速狀態下，和系統在正弦速度波浪下的輸出特性、負載特性，並計算了系統的轉換效率。