一种新型衰减式波浪发电模型研究

本申请提出一种由衰减式波浪能转换器和Halbach永磁直线电机构成的新型波浪发电模型，研究在波浪能密度低、聚波难度大情况下，提高波浪能采集和发电系统效率。首先建立波浪能量转换的流体动力学模型，编制数值计算程序，分析波浪对转换器的作用以及波浪能被吸收的机理。根据自由振荡特性，采用数值方法优化设计衰减式波浪能转换器。由于可以直接驱动直线发电机，能量转换系统不需要用透平和变速等装置，简化结构，降低成本和系统损耗，提高了波浪能量转换效率。接着建立电磁耦合模型，计算Halbach永磁直线电机的磁场分布。通过磁场计算，优化永磁阵列，提高气隙磁场，减少高次谐波分量，改善输出电压性能。通过等效电路模型，优化电机绕组等结构，进一步提高波浪发电性能。圆筒型直线发电机结构对称，能抵消电机径向磁吸力。最后将波浪能量转换器和永磁直线发电机系统封闭在一个细长的橡胶管中，制作发电系统模型，并进行波浪发电实验。

直驱式波浪能转换装置是利用直线发电机将波浪能直接转换成电能的一种发电装置，该装置由波浪能俘获结构和波浪能转换结构组成，其中波浪能俘获结构通常为漂浮在海面的浮子结构，波浪能转换结构采用直线发电机。本课题研究了波浪运动理论，并设计了一种适合近海域小波浪的平台式直驱波浪能转换系统，对能量转换系统的模型结构进行设计和分析，对系统用圆筒型永磁直线电机进行了结构设计和性能的优化分析，并搭建实验平台测试系统，对系统的能量转换过程与发电机的运行特性进行实验研究，根据实验数据对系统能量的转换效率进行的分析。.本文的研究成果主要分为以下几个方面：.1..采用数学解析法对该装置运行条件下的波浪分析，分析得出波浪的统一数学表达式。采用计算流体动力学软件，应用流体体积函数法（VOF）建立二维的数值波浪水槽，并通过数值造波技术和消波技术对线性波浪进行数值模拟，得到线性波的时间特性和运行规律。.2..采用解析法分别对系统用圆柱型体浮子、矩形体浮子、以及球形浮子进行分析，在相同海况下，得出圆柱型体浮子所受的波浪力最大。利用计算流体动力学软件对圆柱型浮子和锥台型浮子进行分析，得出浮子周围区域的速度矢量云图、压强云图、压力云图，并计算出浮子所受的波浪升力和阻力，得出浮子的入水深度与浮筒受力间的变化规律。.3..分析了系统浮子的平均输出功率、以及在浮子宽度内波浪的输入功率，并得到直驱波浪能转换系统的总的能量转换效率。.4..根据平台式直驱波浪能转换装置的设计要求，以及系统电磁负荷的需求，提出了一种圆筒型永磁直线发电机的设计方法，并根据直线电机的运行原理，对电机的等效电路和磁路进行分析，并计算出该电机的基本动态性能参数。.5..通过研究电机初级和次级的结构参数来分析电机的电磁特性，提出了通过改变电机的初级齿槽结构和次级的永磁阵列结构，以及采用槽距和极距的最优匹配等方法来减小电机磁阻力波动。.6..对电机采用Halbach永磁阵列结构的组成进行分析，研究永磁体的高度和宽度对电机动态性能的影响，分析电机电动势的总谐波含量，并得出优化后Halbach永磁阵列结构。.7..制作了圆筒型永磁直线电机的样机和浮筒结构、搭建实验平台测试系统，分别测试了发电机在恒速状态下，和系统在正弦速度波浪下的输出特性、负载特性，并计算了系统的转换效率。