基于波浪能的新型海洋浮标发电系统研究

【摘要】：海洋浮标是根据海洋水文气象预报、海洋资源开发而发展起来的一种新型现代化的海洋水文气象观测平台。为保证气象站能在恶劣的环境中进行长期、连续、全天候的工作，其供电系统必须稳定可靠。目前，海洋浮标一般采用蓄电池和太阳能电池板联合供电，但因为往往对光伏系统的充放电控制不合理，导致在连日晴天时会出现过充电而损坏蓄电池，阴雨天气则造成浮标系统供电不足甚至断电。本课题研究了一种圆筒式波浪发电机装置，可将波浪能转化为电能，供海洋浮标使用，实现就地取材，保证海洋浮标稳定长期运行。可以替代蓄电池和太阳能电池板，对于降低人工维护费用，开发新能源具有重大的理论和现实意义。 本文研究了一种圆筒型永磁直线发电机，采用直线往复运动的永磁体振子作为发电机励磁，可以直接与波浪的起伏运动特点相吻合，将直线运动的波浪能转化为电能，简化了波浪能的转化过程，省去了各种传动装置，永磁直线电机是革新传统波浪发电系统的良好选择。利用ANSYS软件对电机电磁场进行数值计算和有限元分析，并仿真了其额定运行状态的各性能参数。根据仿真结果，对电机结构加以修改，减小了电机的振动，使发电机性能优化。 为了最大限度的提高波浪能的转化效率，本文对浮子的形状进行了分析，得出圆柱型对于吸收波浪能的效率最高；其次对浮筒的受力建立了数学模型，分析了在给定平均浪高和频率的波浪作用下，浮筒的尺寸、质量与电机功率的对应关系。并运用SIMUlink软件对浮筒的位移以及电机的输出功率进行了仿真，从而确定浮筒的尺寸、质量，以及电机的功率，使其充分吸收海浪能。 装置的总质量和电机功率是根据不同海况得出的，对于研究一般海域具有通用性，可根据不同的海况设计不同大小的装置提高波浪能的转化效率。 【关键词】：海洋浮标 海浪发电 永磁直线电机 电机设计 有限元分析
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM612
【目录】：

• 摘要9-10
• Abstract10-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 课题研究的背景与意义12-14
• 1.2 波浪发电的基本原理14-17
• 1.2.1 振荡水柱技术15
• 1.2.2 筏式技术15-16
• 1.2.3 鸭式技术16-17
• 1.2.4 收缩波道技术17
• 1.3 国内外发展技术的应用17-19
• 1.4 论文的主要研究内容19-21
• 第2章 永磁直线发电机的基本原理21-39
• 2.1 直线发电机的基本原理和结构22-27
• 2.1.1 基本原理22-24
• 2.1.2 基本结构24-27
• 2.2 直线电机的基本分类27-28
• 2.3 直线电机的分析方法28-31
• 2.3.1 推力-速度特性28-30
• 2.3.2 推力（电流）-气隙特性30
• 2.3.3 直线电机的品质因数30-31
• 2.4 直线电机的边端效应问题31-33
• 2.5 电磁场数值计算方法在永磁电机中的应用33-38
• 2.5.1 边界条件的确定34
• 2.5.2 区域离散34-36
• 2.5.3 插值函数的选择36
• 2.5.4 方程组的建立36-37
• 2.5.6 求解代数方程组37-38
• 2.6 本章小结38-39
• 第3章 直线电机的设计39-59
• 3.1 ANSYS 软件介绍41-43
• 3.2 电机的总体结构设计43-44
• 3.3 永磁材料的选择44-45
• 3.4 定子齿槽的设计45-47
• 3.4.1 绕组的设计45-46
• 3.4.2 槽型的选择46-47
• 3.5 气隙密度的选择47-48
• 3.6 空载磁场分析48-52
• 3.7 负载磁场的分析52-56
• 3.8 HALBACH永磁阵列在永磁直线发电机中的利用56-58
• 3.9 本章小结58-59
• 第4章 浮子的受力分析与计算59-74
• 4.1 浮子形状的选择59-61
• 4.2 浮筒与电机参数分析61-62
• 4.3 浮筒在海浪中的受力分析62-63
• 4.3.1 浮筒在海水中的浮力62-63
• 4.3.2 浮筒所受的反电磁力63
• 4.4 发电机功率的求取63-67
• 4.4.1 海浪发电系统参数分析63-65
• 4.4.2 发电机功率在额定海浪下的确定65-66
• 4.4.3 真实海浪的研究66-67
• 4.5 系统仿真67-73
• 4.5.1 额定海浪情况下的仿真68-70
• 4.5.2 模拟真实海浪70-73
• 4.6 本章小结73-74
• 第5章 结论74-75
• 参考文献75-79
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文79-80
• 致谢80

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