波浪發(fā)電技術(shù)簡(jiǎn)介（課堂PPT）

1、12n研究背景與意義n波能轉(zhuǎn)換裝置簡(jiǎn)介 n永磁直線(xiàn)電機(jī)原理與結(jié)構(gòu)n波浪發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建及其仿真34n人類(lèi)對(duì)于傳統(tǒng)能源的開(kāi)發(fā)，面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代人的能源需求大約是以前農(nóng)業(yè)社會(huì)的 10 倍，相當(dāng)于每人每天 20 公升的石油。現(xiàn)在傳統(tǒng)能源的開(kāi)發(fā)費(fèi)用已經(jīng)隨著資源的日漸稀少而變得更加昂貴，并且隨著人類(lèi)的不斷消耗，世界主要能源開(kāi)發(fā)期已經(jīng)屈指可數(shù)：石油大約為 31 年，天然氣為 40 年，鈾為 48 年，煤為 218 年。n而能源在使用的過(guò)程中伴隨產(chǎn)生的溫室效應(yīng)和其他污染問(wèn)題也將逐漸影響到我們的生存環(huán)境。如此惡劣的能源環(huán)境，使得能源學(xué)家不得不重新審視可再生能源，如風(fēng)力能、太陽(yáng)能、水能、地?zé)崮芘c海洋能等的定位

2、，這些可再生能源的使用量目前僅占世界能源總使用量的 3%，利用率相對(duì)傳統(tǒng)能源而言是非常低的。5n歐洲議會(huì)聯(lián)盟已計(jì)劃在 2050 年前完成 “陽(yáng)光能源改革計(jì)劃”。這項(xiàng)計(jì)劃可以概括為減少能源需求量，增加能源供給的方式，縮減能源供給量，尤其是高碳排放的能源供給模式，包括：“50 年內(nèi)減少能源需求量 50%，利用太陽(yáng)能提供 40%的能源，利用生物能提供 30%的能源，利用風(fēng)力能提供 15%的能源，利用水力能提供 10%的能源，以及利用石油能提供 5%的能源?！眓而據(jù)統(tǒng)計(jì)，占全球 70%的海洋所蘊(yùn)藏的再生能源總量，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前全球能源的總消耗量。6n海洋能指蘊(yùn)藏于海水中的可再生能源，主要包括海洋機(jī)械

3、能、海洋熱能、海洋生物能和海洋鹽度差能等，凡是在與海洋交界的國(guó)家均可在領(lǐng)海開(kāi)發(fā)利用海洋能源。海洋能海洋能海洋熱能海洋熱能海洋機(jī)械能海洋機(jī)械能海洋生物能海洋生物能海洋海洋鹽度差能鹽度差能潮汐能潮汐能波浪能波浪能洋流能洋流能7n海洋能具備非常好的品性，即可再生性和清潔性，是現(xiàn)階段亟待開(kāi)發(fā)利用并十分具有戰(zhàn)略意義的新能源。n我國(guó)有18000公里的海岸線(xiàn)、300多萬(wàn)平方公里的管轄海域，海洋能源十分豐富，其中，近海域波浪能的蘊(yùn)藏量約為1.5億千瓦，可開(kāi)發(fā)利用量約30003500萬(wàn)千瓦，海洋風(fēng)能約有7億千瓦左右。因此，大力發(fā)展海洋新能源，對(duì)于優(yōu)化我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展意義重大。8n波浪能，

4、作為海洋能源的重要組成之一，在海洋中的分布非常不均勻。因?yàn)椴ɡ耸怯珊Ｃ嫔巷L(fēng)的作用引起的，因此在暴風(fēng)巨浪中，波浪能達(dá)到 1000kW/m；而在平靜海面，只有 0.001kW/m。n一般認(rèn)為北大西洋的波浪功率較高，可達(dá)8090kW/m，而封閉的海域，如地中海只有 3kW/m。太平洋西岸，如日本海域有 50kW/m。9n我國(guó)地處亞歐大陸與太平洋相臨的地帶，領(lǐng)海多屬于封閉、半封閉的邊緣海。海域相對(duì)封閉，風(fēng)力較小，因此波浪能蘊(yùn)藏量不大，且?guī)в酗@著的季節(jié)變化及突然變化的特點(diǎn)。沿岸波浪能密度以渤海海峽、福建海壇島以北、浙江中部、臺(tái)灣為高。這些海區(qū)平均波高大于 1m，周期一般大于 5s，是我國(guó)可利用波浪能資源

5、較為豐富的海域。10n因?yàn)樘?yáng)輻射的不均勻加熱與地殼冷卻及地球自轉(zhuǎn)造成風(fēng)，風(fēng)吹過(guò)海面又形成波浪，因此海洋波浪是由太陽(yáng)能源轉(zhuǎn)換而成的，波浪所產(chǎn)生的能量與風(fēng)速成一定的比例。波浪能是近期在海洋能源利用中研究最多的能源形式，因?yàn)槠涫呛Ｑ竽芴N(yùn)藏最為豐富的能源之一，隨著人類(lèi)不斷的研究與試驗(yàn)，波浪能的利用也慢慢走向了商業(yè)化的道路。11n波浪能比較其他能源有如下優(yōu)點(diǎn)：n分布最廣；n可再生，太陽(yáng)照射便能產(chǎn)生風(fēng)能，從而會(huì)不斷地產(chǎn)生波浪能；n波能流密度最大，最高在某些地方可達(dá)到 100kW/m，可利用程度非常高；n潔凈無(wú)污染；n有按周期性變化的規(guī)律可循，便于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化利用；n以機(jī)械能形式出現(xiàn)，是海洋能中品位最高的能

6、量。n波浪能的這些優(yōu)點(diǎn)意味著：波浪能相對(duì)其他海洋能源，利用更加方便，裝置可以更加小巧廉價(jià)，可以為沿海地區(qū)、海洋平臺(tái)和遠(yuǎn)海領(lǐng)域的提供能源。1213n波能轉(zhuǎn)換裝置有多種形式，但總體可以分為三級(jí)環(huán)節(jié)來(lái)分別進(jìn)行分析，如下圖所示。第一級(jí)轉(zhuǎn)換是與波浪能直接接觸的，其作用是將波浪能轉(zhuǎn)換為實(shí)體所持有的能量，通常表現(xiàn)為隨波浪進(jìn)行起伏運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。第三級(jí)轉(zhuǎn)換即最終轉(zhuǎn)換，是將傳遞來(lái)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，通常為發(fā)電機(jī)，比較新型的技術(shù)還有壓電發(fā)電裝置等，傳遞出去的電能經(jīng)過(guò)一定轉(zhuǎn)換可以直接進(jìn)入電網(wǎng)，供最終用戶(hù)使用。14n右圖中的物體1與物體2，分別稱(chēng)為受能體和定體。受能體直接接受從波浪中傳遞來(lái)的能量；定體相對(duì)固定，通

7、過(guò)與受能體形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)或位差而產(chǎn)生能量。受能體和定體是波能轉(zhuǎn)換裝置必不可少的兩部分，它們的組合實(shí)現(xiàn)波能的轉(zhuǎn)換。受能體和定體還可以根據(jù)裝置的不同有各種各樣的形式。n除了第一級(jí)轉(zhuǎn)換與最終轉(zhuǎn)換，中間轉(zhuǎn)換并不是必不可少的，它在波浪轉(zhuǎn)換裝置中主要起穩(wěn)向、增速和穩(wěn)速的作用。另外有時(shí)第一級(jí)轉(zhuǎn)換和最終轉(zhuǎn)換裝置是有一定距離的，因此就要求中間轉(zhuǎn)換裝置起到傳輸能量的作用。是否與后面重復(fù)對(duì)原理圖的描述，可以通過(guò)引入能量轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行15n第一級(jí)轉(zhuǎn)換裝置，受能體的不同類(lèi)型使得能量轉(zhuǎn)換的方式也不同，可以分為如下三類(lèi)：n受能體為剛體，能量轉(zhuǎn)換方式為波能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如振蕩浮子式、擺式、點(diǎn)頭鴨式以及波面筏式；n受能體為水體，能

8、量轉(zhuǎn)換方式為波能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能跟勢(shì)能，如收縮波道式（即聚波水庫(kù)）；n受能體為空氣，能量轉(zhuǎn)換方式為波能轉(zhuǎn)化為空氣能，如振蕩水柱式。n 配合受能體完成波能轉(zhuǎn)換另一不可缺少的定體目前這主要應(yīng)用的有如下幾種類(lèi)型：（1）錨泊結(jié)構(gòu)；（2）動(dòng)力定位；（3）固定結(jié)構(gòu)；（4）深水體；（5）其他穩(wěn)定體。16n點(diǎn)頭鴨式波能轉(zhuǎn)換裝置是在 1974 年由 Salter 提出的，轉(zhuǎn)換效率可接近 90%左右，其名字的由來(lái)是因?yàn)樵撗b置的形狀和運(yùn)動(dòng)特性都類(lèi)似于鴨的運(yùn)動(dòng)。受能體的運(yùn)動(dòng)主要來(lái)自于入射波運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓力和流體靜壓力，動(dòng)壓力推動(dòng)鴨身繞軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，靜壓力推動(dòng)鴨嘴做起伏運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閮煞N形式的運(yùn)動(dòng)是同相位的，因此可將產(chǎn)生的能量同時(shí)傳

9、遞出去，從而再轉(zhuǎn)換為電能使用。17n優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率較高，調(diào)節(jié)鴨身質(zhì)心可以使其自有頻率與波浪運(yùn)動(dòng)頻率相同或者接近從而形成共振，可以達(dá)到最大的轉(zhuǎn)換效率；n缺點(diǎn)：裝備復(fù)雜從而造成可靠性較差，尤其在惡劣的海洋環(huán)境下，裝置極易損壞。18n收縮波道式波能轉(zhuǎn)換裝置最早由挪威特隆赫姆大學(xué)的Falnes和Budal提出，是根據(jù)聚波理論提出的一種波能轉(zhuǎn)換裝置。收縮波道式波能裝置是由高位水庫(kù)和一個(gè)漸收的波道組成的。收縮坡道的聚波作用，是由其坡道兩側(cè)的對(duì)數(shù)螺旋正交曲面形成的，兩側(cè)坡道在高位水庫(kù)內(nèi)相接，聚波作用使得進(jìn)入收縮波道的波浪波高增大，從而越過(guò)混凝土墻進(jìn)入高位水庫(kù)，再運(yùn)用位能通過(guò)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。19n優(yōu)點(diǎn)：裝置

10、簡(jiǎn)單，體積較大，因而可靠性好，功率穩(wěn)定且效率高，轉(zhuǎn)換效率在65%75之間；n缺點(diǎn)：裝置建設(shè)對(duì)地形要求極高。 20n振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置是目前世界上最流行的波能轉(zhuǎn)換裝置，該裝置受到重視的原因在于可以依靠共振來(lái)加強(qiáng)水柱的運(yùn)動(dòng)。共振時(shí)入射波與輻射波的聯(lián)合作用可以進(jìn)入水柱內(nèi)的波浪波高增加，就提高了波能轉(zhuǎn)換效率。21n優(yōu)點(diǎn)：機(jī)組只與空氣接觸，不與波浪接觸，因此波浪的腐蝕與沖擊比起與波浪直接接觸的波能裝置要小很多，因此穩(wěn)定性強(qiáng)，故障率低。n缺點(diǎn)：成本高，不僅材料成本較為昂貴，而且施工也較為復(fù)雜，所需要的機(jī)械、人工費(fèi)用均較高；轉(zhuǎn)換效率較低，僅為 10%30%左右22n擺式波能轉(zhuǎn)換裝置的原理較為簡(jiǎn)單，即在波

11、浪推動(dòng)下，擺板上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械能，然后再經(jīng)由中間裝置傳輸?shù)阶罱K轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為電能。 n優(yōu)點(diǎn)：成本較低。n缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率不穩(wěn)定，在惡劣的海洋環(huán)境下，可靠性較差，易損壞。23n整流器式波能轉(zhuǎn)換裝置，又名Ressell整流器，是由英國(guó)牛津水力研究所研制成功的。通過(guò)一組單向閥門(mén)，在波浪涌來(lái)時(shí)候允許水流進(jìn)入蓄水池，水流的壓力可維持水輪機(jī)裝置內(nèi)部的水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)波浪不斷涌入，當(dāng)內(nèi)部流體靜壓力超過(guò)波浪產(chǎn)生的壓力時(shí)，進(jìn)水閥門(mén)關(guān)閉；當(dāng)內(nèi)部流體靜壓力超過(guò)外界壓力時(shí)，排水閥門(mén)打開(kāi)，集水池內(nèi)的水會(huì)部分排出。如此往復(fù)循環(huán)，保持水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，不斷將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。24n優(yōu)點(diǎn)：裝置可靠性高。n缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率較低，投資費(fèi)用

12、過(guò)高。因此對(duì)于波能密度較為挑剔，需要比較高的波能密度才能將彌補(bǔ)其高昂的裝置成本。因此，該裝置在波能密度高的區(qū)域，如歐洲，可以得到廣泛采用，在波能密度低的國(guó)家應(yīng)用就不太理想。25n振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置是一種較為新型的波能轉(zhuǎn)換裝置，是在振蕩水柱式裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。振蕩浮子式裝置由浮子、連桿、液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)和保護(hù)裝置等幾部分組成，通過(guò)浮子吸收波浪能，產(chǎn)生起伏運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)中間裝置傳輸能量，最終驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置的受能體與定體都非常典型，都是利用二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行波浪能的采集的。26n振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)點(diǎn)是：一、容易建造，它幾乎沒(méi)有水下混凝土，大大降低了建造

13、難度、建造成本；二、裝置轉(zhuǎn)化效率高；三、多是采用岸式裝置，避免了能量輸送以及裝置系泊的問(wèn)題，從而節(jié)約成本提高效率。正是基于以上優(yōu)點(diǎn)，使振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置有望發(fā)展成為實(shí)用化的波能裝置。27n中間轉(zhuǎn)換在波浪發(fā)電系統(tǒng)中是必不可少的，它主要起到了穩(wěn)向、增速和穩(wěn)速的作用。另外在一些系統(tǒng)中第一級(jí)轉(zhuǎn)換裝置和最終轉(zhuǎn)換裝置之間是有一定距離的，因此就要求中間轉(zhuǎn)換裝置起到能量傳輸?shù)淖饔谩中間轉(zhuǎn)換按傳動(dòng)實(shí)體的不同可分三種類(lèi)型：氣動(dòng)式、水力式、機(jī)械式。以下就各類(lèi)中間轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行分類(lèi)分析。28n氣動(dòng)式能量轉(zhuǎn)換裝置要求在波浪能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，某一個(gè)環(huán)節(jié)是通過(guò)氣體傳遞能量的。日本航標(biāo)波力裝置是典型的氣動(dòng)式中間轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)換過(guò)

14、程是：空氣泵室（即空腔，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為空氣能）整流氣閥和氣道氣輪機(jī)（將空氣能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能）。 n氣動(dòng)式能量轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)點(diǎn)是：發(fā)電部分不與海水直接接觸，因此波浪的腐蝕與沖擊比起與波浪直接接觸的波能裝置要小很多，裝置的抗沖擊性與搞腐蝕性較好。n缺點(diǎn)是：因?yàn)闅饬髟谝粋€(gè)周期內(nèi)需要兩次轉(zhuǎn)向，經(jīng)歷兩個(gè)速度為零的點(diǎn)，而空氣透平在這種變工況狀態(tài)下轉(zhuǎn)換效率會(huì)偏低，該裝置的能量轉(zhuǎn)換效率通常只有 10% 30%。29n水力式能量轉(zhuǎn)換裝置要求在波浪能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，某一個(gè)環(huán)節(jié)是通過(guò)液體傳遞能量的，浮子吸收的波浪能通過(guò)液壓裝置轉(zhuǎn)換為液壓能，最后轉(zhuǎn)換為可應(yīng)用的電能等。水力式能量轉(zhuǎn)換裝置的主要作用就是利用液壓系統(tǒng)將機(jī)械運(yùn)動(dòng)增

15、速、傳動(dòng)和調(diào)節(jié)。點(diǎn)頭鴨式和波面筏式波能轉(zhuǎn)換裝置的中間轉(zhuǎn)換，都采用水力式中間轉(zhuǎn)換。它的一般轉(zhuǎn)換程序是：泵（將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為水能）傳輸管道水輪機(jī)或液壓馬達(dá)（將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能）。30n機(jī)械式能量轉(zhuǎn)換裝置要求在波浪能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，某一個(gè)環(huán)節(jié)是通過(guò)剛體傳遞能量的。此種能量轉(zhuǎn)換裝置將機(jī)械能通過(guò)齒輪、杠桿等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)和加速。早期的設(shè)計(jì)，往往結(jié)構(gòu)比較笨重，不過(guò)近些年來(lái)涌現(xiàn)出一些比較成熟的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)，如日本提出的傳動(dòng)比大、效率高的滾珠絲桿。31n一般的最終轉(zhuǎn)換是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，采用常規(guī)的有適當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，但由于在海洋環(huán)境下，工況有較大幅度的變化，效率會(huì)因此受到影響。n大部分波浪發(fā)電裝置都采用透平機(jī)、水

16、輪機(jī)、永磁直線(xiàn)電機(jī)，也有些裝置采用磁流體發(fā)電機(jī)。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，新型的發(fā)電裝置也在不斷涌現(xiàn)，如利用壓電聚合物實(shí)現(xiàn)波能轉(zhuǎn)換電能。3233n永磁電機(jī)的發(fā)展是和永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)的。20世紀(jì)60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁相繼問(wèn)世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線(xiàn)性退磁曲線(xiàn)的優(yōu)異磁性能特別適合于制造電機(jī)，從而使永磁電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的歷史時(shí)期。n與傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、重量輕，特別是電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于波浪發(fā)電領(lǐng)域，采用直立的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的永磁體振子作為電機(jī)的勵(lì)磁，可以直接與波浪的起伏運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)相吻合，簡(jiǎn)化

17、了波浪能的轉(zhuǎn)化過(guò)程，且其功率密度與功率因數(shù)也高。因此，永磁直線(xiàn)電機(jī)是革新傳統(tǒng)波浪發(fā)電波能轉(zhuǎn)換裝置的良好選擇。34n傳統(tǒng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)都是旋轉(zhuǎn)的，如果把發(fā)電機(jī)沿直徑方向剖開(kāi)并展平，如下圖所示，這時(shí)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)就演變成直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，其定子在上方，轉(zhuǎn)子磁極在下方，原來(lái)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向變成了向左直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方向。n直線(xiàn)電機(jī)定子部分不動(dòng)，磁極部分在外力推動(dòng)下做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在其定子繞組中也產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；如果磁極部分在外力推動(dòng)下做直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，那么同樣在其定子繞組中也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。35n如果直線(xiàn)電機(jī)中N、S磁極不是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生，而是由永磁體產(chǎn)生的，那么該發(fā)電機(jī)就為直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)，如下圖所示。n由于直線(xiàn)往復(fù)

18、運(yùn)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)的定子部分不動(dòng)，仍可稱(chēng)作定子；永磁磁極部分做直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)而不旋轉(zhuǎn)，稱(chēng)作振子。由于振子做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在定子繞組中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該發(fā)電機(jī)從側(cè)面看是扁平結(jié)構(gòu)，而且一邊是定子，一邊是帶永磁磁極的振子，所以稱(chēng)為扁平式單邊型直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)。36n扁平式單邊型直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)由于不需要電流勵(lì)磁和電刷，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料利用率高、功率密度大、效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。n旋轉(zhuǎn)式永磁發(fā)電機(jī)已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)的研究與應(yīng)用在國(guó)內(nèi)尚不多見(jiàn)。37n為了提高電機(jī)體積和材料的利用率，單邊型發(fā)電機(jī)可以改做成雙邊型發(fā)電機(jī)，如下圖所示。該電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是上、下兩邊都是定子，中間

19、部分是往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振子，振子上的永磁體之間由非導(dǎo)磁材料隔開(kāi)，讓N、S極產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要通過(guò)兩邊的定子鐵心，防止直接從振子本體旁路。通過(guò)振子做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在兩邊的定子繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該發(fā)電機(jī)的材料利用率高，同容量時(shí)體積小，成本低，同時(shí)避免了單邊型產(chǎn)生的側(cè)向力。38n如果把扁平式直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)沿著與直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)相垂直的方向卷成圓柱型，就構(gòu)成了如下圖所示的圓柱式直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)?？梢钥闯觯谕鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的振子上放置永磁體，永磁體之間為非導(dǎo)磁材料。通過(guò)振子的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在定子繞組里產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。39n如果把圓柱式振子上的永磁體安裝到定子上，就變成了永磁體安放于定子的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)的

20、結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是振子上沒(méi)有永磁體，它可以使永磁體避免振動(dòng)，對(duì)延長(zhǎng)永磁體的使用壽命有好處。該發(fā)電機(jī)是靠振子往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)造成的磁阻變化，使定子繞組里產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。4041n利用永磁直線(xiàn)電機(jī)便可構(gòu)建波浪發(fā)電系統(tǒng)，本文示例選自清華大學(xué)范宇航碩士論文一種新型漂浮式波浪發(fā)電系統(tǒng)研究，在此僅作為學(xué)術(shù)交流討論所用。n該波浪發(fā)電系統(tǒng)采用6臺(tái)永磁直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)發(fā)電機(jī)構(gòu)成，發(fā)電機(jī)均布在六面體支架的各個(gè)側(cè)面，整個(gè)系統(tǒng)漂浮于水上。隨著波浪的起伏運(yùn)動(dòng)，支架中間的重錘會(huì)在波浪力的作用下，在空腔內(nèi)進(jìn)行上下及左右擺動(dòng)，通過(guò)鋼絲繩牽引發(fā)電機(jī)振子做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使發(fā)電機(jī)的定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。n由于每臺(tái)電機(jī)中的三個(gè)定子繞組所

21、處位置不同，其各自產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將略有不同，幅值大致相當(dāng)，相位存在較大差異。42（a）波浪發(fā)電系統(tǒng)俯視圖（b）波浪發(fā)電系統(tǒng)正視圖1發(fā)電機(jī)；2定滑輪；3重錘；4鋼絲繩；5支架；6彈簧；7螺栓及鐵環(huán)43n為了研究系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，初步掌握系統(tǒng)在不同波浪環(huán)境下輸出電動(dòng)勢(shì)的規(guī)律，就需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。n此處略去分析推倒過(guò)程，直接給出最終結(jié)果：n其中，k為彈簧的彈性系數(shù)；Z為系統(tǒng)支架向上的位移；X為電機(jī)振子向上的位移；為鋼絲繩與豎直方向夾角；Mz為振子質(zhì)量；Ma為等效一臺(tái)電機(jī)所帶重錘質(zhì)量。XMMkXZMkZaza )cos(cos) 1(cos2244n根據(jù)上式，使用MATLAB軟件中的si

22、mulink軟件包，以波浪的運(yùn)動(dòng)位移Z為輸入函數(shù)，以振子的運(yùn)動(dòng)位移X為輸出函數(shù)，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。仿真系統(tǒng)在輸入端in1可根據(jù)海浪的實(shí)測(cè)狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)量Z的輸入，反映了電機(jī)定子的運(yùn)動(dòng)位移，中間的微分單元和比例調(diào)節(jié)單元可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)按上述各個(gè)公式計(jì)算并賦值，輸出端子則由4個(gè)示波器構(gòu)成，對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)：nscope1輸出定子與振子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移量；nscope2輸出振子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移量；nscope3輸出定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；nscope4輸出定子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移量。4546n根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)便可以對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載條件下電動(dòng)勢(shì)波形的仿真計(jì)算，為了方便研究，理想狀況下的波浪運(yùn)動(dòng)位移函數(shù)可取為正弦波函數(shù):n波浪的運(yùn)動(dòng)位移是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，上式中的振幅A和頻率f均隨時(shí)間而變化，對(duì)電動(dòng)勢(shì)波形進(jìn)行模擬仿真，也應(yīng)該考慮上述參量的變化，增加其運(yùn)動(dòng)方程的復(fù)雜程度。因此，選用正弦函數(shù)來(lái)擬合振幅和頻率變化，如下所示。)(2sin()()(0ttftAtZ)2sin(22)(11minmaxminmaxtfAAAAtA)2sin(22)(22minmaxminmaxtffffftf47n首先研究一種最理想的情況，即波浪的振幅和頻率不隨時(shí)間改變，輸入信號(hào)為一正弦函數(shù)，波浪幅值0.5米，頻率0.3赫茲，仿真時(shí)間為60秒。nscope4顯