分析海洋波动态生成电能的使用一个线性发电机

文摘

从海洋波浪发电取决于波动态和海洋的行为。摘要永磁直线发电机(PMLG)设计和分析海洋波能转换。拟议中的PMLG设计适用于点吸收器式波能装置。海浪的数学模型,提出了观察到的输出特性和性能PMLG海浪的变化。生成的电压,电流,功率,应用力、磁磁链和力组件的PMLG已经提出了不同的海浪条件。商用软件ANSYS / ANSOFT用来模拟PMLG提出了有限元法。磁通线,通量密度和电场强度的提议PMLG极大地随时间提出了瞬态分析。PMLG的仿真结果显示了出色的特性常数和变量速度波相关条件。这些分析有助于选择合适的PMLG参数更好利用海浪最大化输出功率。

1。介绍

目前,科学家和工程师的世界能源面临两大挑战:电能生产和环境问题。这些问题可以友好地解决使用可再生能源资源(RERs)。的重要因素刺激的使用RERs能源独立,财务可行性,主要是环境保护1]。石油危机的问题(1973 - 1983)和环境污染问题督促工程师收获从可用RERs电能,例如,风能(2- - - - - -5,太阳能6- - - - - -9),和水力发电10]。r是可变的和不可预测的,不同类型的转换器和控制相关的RER-based发电厂与独立或网格系统(11,12]。传统RERs有可用性和不确定性的问题,他们需要一个大的土地面积。另一方面,海洋波浪能量的关键优势(欠)如下:(i)它有巨大的潜力相比,太阳能和风能,(ii)很容易预测,和(3)不需要土地面积。因此,它一直是最感兴趣的工业领域;特别是在能源发电,利用波浪发电已经更有吸引力比其他RERs [13]。欠是一个有前途的环境无污染的能源,这将使重大贡献来保护生物资源和减少碳排放14]。据估计,总波能量资源在世界各地的大海是10 TW(10000兆瓦),等量的世界总电力消耗(15]。

不同类型的海洋波浪能量转换器(wec)发明了成功的波能转化为电能(16- - - - - -19]。波能装置可旋转或平移类型和这些设备每个都有不同的特点20.]。动力输出设备中扮演着至关重要的角色转换的不规则波动能量转换的规律运动。线性发电机(LGs)直接实现直接驱动波能量转换不使用介质设备有独特的优势超过其他所有波能装置(21]。一个LG有两个主要部分,即译者和定子。翻译安装空心圆柱体有时被称为一个浮点数或漂浮物,如图1。定子安装到另一个机械的身体为了让它静止的海浪。

漂浮者试图漂浮在海洋的表面波的翻译相对于定子由于波浪作用。漂浮者利用海浪的起伏能量转换的一个点。随着翻译线性由于浮子的往复运动,波提取的能量转换成电能。很多数学家分析和提出了不同的数学模型对于理解海洋波的性质(22,23]。

不同类型的永磁直线发电机(PMLGs)设计和分析改进的性能。平面和管式磁通切换永磁直线发电机(FSPMLGs)提出了21,24,25]。不同的分析表明,FSPMLGs由经前综合症和钢铁核心遭受更高的泄漏流量的问题导致减少电力生产。提出了管状PMLGs [14,21,26,27)也减少齿槽定位力和增加效率。维护管PMLG困难是由于线圈在外围的存在。它被认为在最近的作品28)线性开关磁阻发电机(LSRG)已经提出了高发电。过度的漏通量和复杂的控制电路LSRGs负责整体效率和可靠性的退化。

本文介绍了波动分析的数学模型的行为PMLG提供内部阻力低,低负载效应,和高输出功率。有必要考虑波动的本质PMLG的参数选择,从而最大限度地发挥发电。的海洋波浪运动参数之间的关系建立了PMLG。不同的重要的参数,例如,经前综合症,波兰人,翻译的长度,和中风长度,发现PMLG的关系和生成的电压,电流,功率,应用力、磁磁链,磁通线,通量密度,应用力与力的组件提出了不同的海浪条件PMLG显示。

2。设计PMLG

2.1。工作原理

翻译与入射波垂直移动;因此,可以向上或向下的方向。考虑到翻译运动向上方向如图2和3对于一个特定的时间间隔,定子和翻译波兰人是一致的,面对彼此。红色和绿色线代表北极(N)和永久磁铁的南极(S) (PM),分别。存在于上面和N定子铁芯存在于较低的一侧的一段时间。翻译的位置随时间和磁通的方向变化。译者地位图的变化3从图中所示的位置2。年代现在存在于较低的一侧和N存在于定子芯的上面。

因此,磁通的方向图2对译者地位的图吗3时间间隔内。因此,在导体感应电压的方向是相反的,由于这个原因PMLG产生交流电源。

2.2。矢量图和等效电路

每个阶段由两个线圈的绕组相反的阶段。感应电压因此180°阶段转移到对方。每个阶段的线圈连接在系列添加剂极性来获得更高的输出电压。感应电压的矢量图在图表示4。

提出的等效电路图PMLG三相负载如图5。每相绕组的等效串联电阻和电感线圈被认为是平等的,用和,分别。线圈绕组由两个系列;因此,每个线圈的等效串联电阻和电感用和,分别。,,的感应电压阶段a、b阶段和阶段c,分别为简单起见。同样的,,,感应电压的相位-阶段,,相,分别。磁激发是美联储从译者的点阵列,如图6。终端电压,,,,测量负载。

感应电压方程可以表示为 在哪里,,,,−1,终端电压,是线电流,是同步电感。是代表机器结构常数;是翻译的垂直速度和速度;是极距;和垂直位移。终端电压

2.3。施工详图

的垂直截面PMLG(正面)如图6。PMLG基本上包含了一个翻译是由一些与钢芯经前综合症。定子铜线圈包含一些受伤的定子芯钢位于两边的翻译。阶段- - - - - -阶段,,相位于右边的翻译。阶段- - - - - -阶段,,相位于左边的翻译180°阶段从阶段吗阶段,,相,分别。建设支持译者在垂直方向移动定子。点阵列的方向应该是,N和S可以形成一个接一个,如图6。

3所示。海洋波的模型

在大多数情况下,恒定的速度或正弦速度正弦形状近似模拟PMLGs[很常见25- - - - - -27]。典型的波的垂直速度范围是0 - 2 m / s的时间从4到6年代(28- - - - - -30.]。因此,一个自由的海洋波强迫和消散在平坦海床的分析提出了LG如图7之后提到的近似。波形的振幅。因此,波峰和波谷之间的垂直距离等于两倍的幅度。根据海洋学家的观点,它被认为是一个线性波。躺在海面飞机,组件被认为是零的波传播方向,是波长,海洋的水深度对吗飞机或水面,海底,海洋表面一致。

3.1。广义波

几乎任何类型的海洋波的一般描述可能被认为是,不同的解释, 在这里,波的数量和的频率是断言的物理和描述了考虑频率和波数相关的水波。另外,它可以被视为一种相速度或海洋波速之间的关系,和波长。考虑重力加速度,= 9.8 m / s²,一个基本波的相速度沿着移动方向可以表示为 根据(3)和(5),波速方向只有虽然速度方向。因此,海洋波的速度是一个矢量,取决于,,和时间,。获取海洋波的完整描述的组件,,必须计算。运动可以表示为 在哪里代表了海洋波和速度,,一起的组件,,。的组件可以视为海洋波和零和组件可以表示如下: 的和组件(7)和(8)可以简化为个人考虑浅水波,中间深度波和深海波。

3.2。浅水波

在浅水区,水深度远低于波长,;也就是说,或。浅水波的另一个属性是波的振幅比波长小得多;所以,或。所以,(7)和(8)可以写成 现在,(9)和(10)可能会减少 同样,如果,可以简化为因为 作为相速度可以表示为。

3.3。深水波

在深水中,水深远远高于波长;也就是说,或。所以, 因此,(7)和(8)可以表示如下: 同样,如果,可以简化为。相速度,可以表示为。的和组件,为浅层和深层水(6)- (12),(15)和(16),是解释31日]。比较的相对深度、波速、波长的浅水波,中间深度波和深海波如表所示1。

4所示。PMLG和波模型

4.1。选择翻译的长度

翻译的长度可能会更短,比定子相等,或更长时间。常见的定子长度和翻译影响PMLG的额定功率。额定功率的增加而增加常见的长度。再翻译选择获得相同的常见的长度如图8对于不同的翻译职位。翻译的垂直位移事件海浪被称为行程长度,。有一个波振幅之间的关系,,在能量转换。小于自由海洋波的振幅(7)- (12),(15)和(16因为功耗)。

4.2。频率的确定

翻译极距的求和点的厚度和翻译钢管厚度PMLG如图9。定子极距和翻译极距可能相同或不同取决于设计策略。在提出的设计中,定子极距是一样的翻译极距和定子磁极宽度是一样的翻译极宽。音高和磁极宽度对生成的电压有至关重要的影响,形状、功率、频率、和力量。频率,,PMLG决定的

4.3。力的方向

仿真设置PMLG设计使用三维笛卡尔坐标系统表示。应用力工作设在双向箭头在图所示10。这个设计的宽度和厚度设在和分别设在。接头部队定子和翻译之间的核心行为设在。其他力组件除了作用力和接头部队工作设在。PMLG将机械能转换成电能由于力设在和力量设在和设在生成机械功率损失的原因。在海洋波模型中,波仰角的方向也在设在根据(8),(10),(12)和(16)。

4.4。生成的电压与波

根据法拉第电磁感应定律,发现感应电压 在波模型中,对描述的波仰角设在代表波传播的方向。的感应电压和相关参数PMLG相关时间。垂直波位移假定为正弦和译者与浮标试图遵循波仰角;因此,垂直位移,,速度,译者可以表示为给定的(19)和(20.),分别14]。因此,

在这里,,,代表波振幅、初始相位角和海洋波,分别。翻译和浮标动波仰角;因此,流量变化对时间可以表示为 如果峰值电压,结合(18)和(21),生成的EMF每阶段PMLG,,得到了(32]

5。仿真结果

有两种类型的速度设置在这个仿真;一是考虑常数PMLG的翻译速度的观测性能,另一个是翻译运动改变了海浪。默认的气隙长度是2毫米,负载4Ω,翻译速度是1 m / s的PMLG除非另有说明。输入的PMLG机械推力,在牛顿。从机械功率,电力,、效率、,计算。

5.1。固定的翻译速度

终端电压和负载电流为默认条件如图11。

负载电压和电流在同一阶段由于电阻负载。应用力,齿槽定位力,和力组件设在,,如图12。感应电压,电流,磁通量连锁图所示13。生成如图14。

5.2。电压调整

终端电压取决于负载特定PMLG如(2),如图所示15观察终端特征。

不同的负载从2Ω多达MΩ半对数图上所示。从任何一个加载电压测量的三个阶段是相似的和从25Ω1 MΩ几乎保持不变。RMS值阶段a的电流和功率不同的负载条件下数据所示16和17,分别。电流和功率的数值图表使用的传说都列在下表中2和3,分别。

5.3。变量的翻译速度

根据海洋波模型,波的垂直位置是正弦,所以波的垂直速度提升是一个余弦函数。译者的垂直位置和速度图所示18。的时间段= 4 s和米,这意味着= 0.8 m。生成的电压的大小PMLG取决于速度根据(20.),如图19。

作为= 4 s,电压波形是在每个半周或重复如图19。电压波形由于翻译速度的时期一个周期如图20.。著重的感应电压和电流的时间间隔在图所示21。的终端电压滞后90°磁通量链接,如图22。

电压大小成正比的翻译速度。根据(17)和(20.),电压的频率增加而增加的速度。终端电压和电流线圈如图23。齿槽力的原因是涟漪,负责PMLG异常操作,所以它是维持在一个较低的值,如图24作用力。权力的大小与频率有关。发电由于应用力如图25。

PMLG活性材料的不同维度的定子和译者如图6给出了在表4。的重要参数主要影响PMLG性能表5。

5.4。选择的点大小

根据图18,译者的垂直位移为1.6 m的最小和最大垂直位移由于−0.8米和0.8米,分别。另一方面,译者长度是定子长度和行程长度的总和。结合的冲程长度1.6米和1.4米的定子长度,译者长度变成3 m。从表5、翻译和定子极距是4厘米的求和点和钢管厚度。因此,75 pm和波兰需要3米长度的翻译。翻译选择经前综合症的维数为8×10×2.4厘米。

6。分析磁通

磁通密度,、磁通线和磁场强度PMLG的观察分析在不同的部分。的价值不同的时间,,如图26- - - - - -28。不同位置的不同翻译,可以意识到从图中给出的规模(29日)。钢的磁化曲线用于定子和翻译核心如图29 (b)。

翻译的位置随时间和通量线穿过低磁阻路径。不同时间的磁通线如图30.- - - - - -32。

有一个磁通线和之间的关系。数据33(一个)- - - - - -33 (c)表示磁通线的规模女士,女士30和40 ms,分别。内的磁性PMLG需要分析,适当的设计和性能检查。

磁场强度的值在不同的时间数据所示34- - - - - -36和规模如图37。这主要存在于气隙磁动势。当定子和翻译核心接近在一起,磁动势达到高值。钕铁硼(永磁)永磁体用于磁激发。

7所示。结论

仿真结果与垂直速度同步翻译波速反映本文给出的模型。不同的电压、电流、功率和磁通联系的阶段a所示的三相PMLG因为另两个阶段只是120°阶段相互转移,没有必要解释动力学波能源电能的能量转换。齿槽力和力波动较低相比,应用力有助于防止机械振动和机械功率最小化损失。低核心损失达到(1.27%)会产生更少的热量,防止过热的PMLG和增加使用寿命。计算最大效率83%满载状态。的负载效应较低,电压调节PMLG 13.93%测量从终端特征。较小的厚铜导体将用于线圈数量减少内部阻力。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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