实验水槽中的波浪能量提取系统

摘要

海浪能是一种能量密度高的可再生能源。高功率转换率是线性发电机成为海浪能量提取系统的一个优势。本文在实验水槽中验证了利用线性发生器提取波浪能系统的可行性。此外，还建立了浮筒垂直摆动的解析方程，并方便地证明了解析方程。此外，还介绍了实验水槽中波浪能提取系统线性发电机的有功功率输出。理论分析和实验结果对未来海浪能量提取系统的研究具有重要意义。

1.介绍

获取有用形式的波浪能是多年来最重要的研究之一。波浪能是一种可再生能源，能量密度高，因此在高效利用的条件下推动着全球经济的发展[1］．关于如何利用线性发电机将波浪能转化为电能的许多技术原理已在论文和会议上发表[2- - - - - -4］．其中一些技术原理已在海浪中进行了测试，测试结果证明很有前景，因为电能可以直接从海浪能中获得，而无需复杂的机械传动[5，6］．在这些技术原理中，提出了两种波能提取系统的方法:设计发电机，例如旋转发电机或直线发电机，以将波浪的动能转化为电能[7),考虑从波浪能到并网电的整流过滤[8］．

许多研究集中在设计发电机或电力转换以优化波浪能提取系统，而很少研究漂浮浮标的运动，驱动线性发电机发电运行。实际上，由于海浪的非线性运动，重浮筒的运行过程难以描述。

本文提出了一种波浪能提取系统，该系统包括一个升沉浮标和一个线性发生器。考虑辐射势的影响，建立了浮筒垂直摆动的解析方程。在实验水槽中对波浪能量提取系统进行了测试，测试结果表明解析方程方法是有效的。理论分析和实验结果对未来海浪能量提取系统的研究具有重要意义。

2.理论

2．1．实验水槽中的造波器

实验水槽中的造波器由一个振动板组成有深度的水，如图所示1．振荡板()能够沿水平方向振荡。当振荡板沿水平方向振荡时，辐射速度势呈复幅生成，可以定义为在哪里是比例系数和是振荡板的复振幅速度[9］．

就波的正向传播而言方向,对在给定振荡板的情况下，就很容易写出拉普拉斯方程(2)及边界条件(3.)和(4)：

上式中，是角频率和是重力加速度。由于(2）， (3.)和(4)，也可写出满足的区域的边值问题的解辐射条件是［10]：方程(5)由变量分离方法引起;是一个正交函数。是波数和是真实的。在(5），表示在附近可以忽略不计的倏逝波．因此在地区，可以假设

2．2．浮筒的运动方程

如图所示2，升沉浮标的水线面面积为，淹没体积为(排水量)，湿面为与单位法，竖直单位向量是．根据试验水槽中波浪的线性化理论和势理论，计算了速度势可以表示为在哪里是事件的潜力,是衍射势，和是辐射的潜力。

假设只有入射波存在，起伏浮筒只在垂直方向上振荡。升沉浮筒受到三种力的作用，即垂直波浪力，辐射力，以及静水浮力，可以写成: 在哪里浮筒的增加质量是多少为升沉浮筒的阻尼系数。

此外，可能还有其他一些额外的力作用在浮筒上，例如粘性力摩擦力．根据牛顿定律，浮筒垂向摆动的运动方程项可表示为在哪里是浮标的重量，是运动部件的加速度，升沉浮筒的位置如何是来自线性发生器的摩擦阻力。

根据，升沉浮筒在垂直方向上的速度和位置为

2．3．浮筒对波浪能量的吸收

波浪能转化为电能的利用还处于技术发展的初级阶段。本节主要讨论只在垂直方向振荡的浮筒对波浪能量的吸收。起伏的浮标以一定的速度摆动主要是由于垂直波浪力由入射波产生的。根据(9]时，功率吸收可表现为: 在哪里升沉和升沉中入射波的波能是多少是浮标起伏引起的辐射功率。在这里两者的相位差是多少和,是辐射电阻。

3.实验结果

为了验证理论分析的可行性，在实验水槽中搭建了波浪能量提取系统。所述波浪能提取系统包括如图所示的三相永磁直线发电机和升沉浮标3.．

在实验中，实验水槽中的造波器可以提供波高0.2~0.3 m，波周期1.6~2.2 s。关于直线发电机的齿槽力，由图可知4和(10)的结果表明，波高(波周期为2 s)越大，浮标在垂直方向上的升沉位置和速度越大。

数字5显示测量的三相空载电压从三相线性发电机的波能提取系统。在图5，三相空载电压波形为毛刺，说明在最终使用电能之前，还需要一些电压滤波和整流系统。

波浪能提取系统三相线性发电机在入射波浪能、辐射波浪能、浮筒单冲程吸收功率下的有功功率如图所示6．从图中可以看出4和6，对应于浮标上下位置的有功功率、入射波浪功率、辐射波浪功率和浮筒吸收功率为零，其中浮筒速度为零。当谐波时变时，线性发电机的转速不是恒定的;因此，波浪能提取系统线性发电机的有功功率也不是恒定的。

4.结论

本文提出了波浪能提取系统中浮筒垂直摆动和三相线性发生器的解析方程。实验结果表明，利用三相线性发电机直接从波浪能中提取电能是可行的。在实验结果中，三相空载电压曲线是毛刺，直线发电机的转速不是恒定的。因此，需要一些方法来优化线性发电机的性能，也需要一种最优控制方法来改善波浪能提取系统的运行过程。

相互竞争的利益

作者声明，他们没有利益冲突的发表这篇论文。

致谢

浙江省师范大学科研项目(no . Y201533835)。关键词:岩石力学，数值模拟，数值模拟

参考文献

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国际旋转机械学报

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