（电气工程专业论文）海浪发电用圆筒型直线发电机设计与研究.pdf

l l l l l l l l l l l l l l l ll l l l l l l ll l l l l l l l l l i i l i l i i 删 y 17 6 115 3 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：日期：超! ：曼：! 口 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名舡导师签名：纽日 还有其丰富的储量，越来越受到人们的关注。海浪发电成为人们利用海浪能的一种重点方式。 海浪能由于其特殊性不易实现直接转换为电能，目前的海浪发电技术将能量转换分为两步：第一 步将海浪能转换为中间媒介的机械能，第二步将中间媒介的机械能转换为电能。在这两个步骤的能量 转换过程中使用不同的能量转换装置。本文分别对两个过程的能量转换装置做了研究。 本文首先在微幅波理论的基础上，以规则波为研究对象，建立数值波浪水槽来模拟波浪能的传播 规律，然后在数值波浪水槽的基础上分析一次能量转换装置能量转换器的工作情况，并且分析波 浪要素、能量转换器的气室尺寸对能量转换器性能的影响。 其次，根据海浪波在竖直方向上做直线往复运动的特点，提出用圆筒型永磁直线发电机作为海浪 发电的二次能量转换装置。然后设计一台圆筒型永磁直线发电机的样机，并给出样机的具体尺寸。 再次，建立圆筒型直线发电机的有限元模型，用有限元分析软件对样机进行仿真，分析样机的电 磁场分布，电动势波形。然后分析发电机电磁力波动的原因，并介绍抑制电磁力波动的一些措施。 最后，用h a l b a c h 永磁阵列代替发电机中的常规永磁阵列进行仿真，并与使用常规永磁阵列时发 电机的性能进行对比，分析发电机使用h a l b a c h 永磁阵列对发电机性能的改善。 关键词。圆筒型永磁直线发电机；海浪发电；数值波浪水槽；能量转换器；t t a l b a c h e n e r g yi si m m i n e n t a sak i n do fc l e a ne n e r g y , w a v ee n e r g yi s m o r ea n dm o r ec o n c e r n e d w a v ep o w e r g e n e r a t i o nb e c o m e sa ni m p o r t a n tw a yo fu s i n gw a v ee n e r g y b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t yo fw a v ee n e r g y , i ti sd i f f i c u l tt oc o n v e r tw a v ee n e r g yt oe l e c t r i c a le n e r g y d i r e c t l y a tp r e s e n t , t h ee n e r g yc o n v e r s i o no fw a v ep o w e rg e n e r a t i o ni sd i v i d e di n t ot w os t e p s ：t h ef i r s ts t e pi s c o n v e r t i n gw a v ee n e r g yt om e c h a n i c a le n e r g yo fi n t e r m e d i a r y ；t h es e c o n ds t e pi sc o n v e r t i n gm e c h a n i c a l e n e r g yo fi n t e r m e d i a r yt oe l e c t r i c a le n e r g y t h e r ea l ed i f f e r e n tc o n v e r s i o nd e v i c ef o rt h et w os t e p s t h i s p a p e rr e s e a r c h e dt h et w oc o n v e r s i o nd e v i c e sr e s p e c t i v e l y f i r s t l y ，b e i n gb a s e do ns m a l la m p l i t u d ew a v et h e o r ya n dt a k i n gt h er e g u l a rw a v ea sr e s e a r c ho b j e c t ，a n u m e r i c a lw a v et a n ki se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h ep r o p a g a t i o no fw a v ee n e r g y t h e nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n o fw a v ec o n v e r t e r ，w h i c hi sb a s e do nt h en u m e r i c a lw a v et a n k , i sa n a l y z e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo nt h ew a v e c o n v e r t e rf r o mw a v ep a r a m e t e r sa n dt h es i z eo fc o n v e r t e ri sa n a l y z e d s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a v ed o i n gr e c i p r o c a t i n gm o t i o ni nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n , a t u b u l a rp e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rg e n e r a t o rh a sb e e nr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d t h e nt h es p e c i f i cs i z eo f g e n e r a t o ri sg i v e n a g a i l l ，t h em o d e lo ft u b u l a rp e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rg e n e r a t o ri s e s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e du s i n gt h e f m i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e t h e nt h ef l u c t u a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c eh a sb e e na n a l y z e d ，a n dt h e m e t h o do fc o n t r o l l i n gt h ef l u c t u a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c eh a sb e e ni n t r o d u c e d i nt h ee n d , t h eg e n e r a t o rw h i c hu s e sh a l b a c hp e r m a n e n tm a g n e ta r r a yi ss i m u l a t e d ，a n dc o m p a r e dw i t h t h eg e n e r a t o rw h i c hu s e st h en o r m a lp e r m a n e n tm a g n e ta r r a y t h e nt h ei m p r o v e m e n tf o rg e n e r a t o rw h i c h u s e sh a l b a e hp e r m a n e n tm a g n e ta r r a yi sa n a l y z e d k e y w o r d s ：t u b u l a rp e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rg e n e r a t o r ；w a v ep o w e rg e n e r a t i o n ；n u m e r i c a lw a v et a n k ； e n e r g yc o n v e r t e r ；h a l b a c h i l 目录 目录 摘要i a b s 1 1 蝴i i 第一章绪论1 1 1 海浪能开发的研究意义l 1 2 海浪发电的基本原理l 1 2 1 振荡水柱式2 1 2 2 聚波储能式2 1 2 3 其他方式3 1 3 数值波浪水槽的研究概述3 1 3 1 自由表面追踪技术4 1 3 2 数值方法4 1 3 3 数值造波技术5 1 3 4 数值消波技术6 1 4 国内外海浪发电技术发展现状6 1 4 1e j 本7 1 4 2 英国8 1 4 3 挪威9 1 4 4 f 1i 亘9 1 4 5 其他国家1 0 1 5 本论文研究的内容1 1 第二章海浪波理论1 2 2 1 微幅波基本方程。1 2 2 2 推进波的势函数1 4 2 3 水质点的运动特性1 7 2 3 1 水质点运动速度和加速度。1 7 2 3 2 水质点的运动轨迹1 8 2 4 海浪能2 0 2 5 本章小结2 1 第三章能量转换器的数值仿真研究2 2 3 1 能量转换器的模型2 2 3 2 数值波浪水槽建立2 2 3 2 1 模型建立和网格剖分2 3 3 3 2 数值方法2 3 3 2 3 造波与消波2 5 3 2 4 数值波浪水槽的结果验证2 6 3 3 气室的工作性能研究2 8 3 3 1 波浪要素对气室工作性能的影响2 8 3 3 2 气室结构尺寸对气室工作性能的影响3 0 3 4 本章小结3 2 第四章圆筒型永磁直线发电机设计3 3 4 1 发电机结构及技术参数3 3 i 4 2 4 永磁体尺寸的选择3 6 4 2 5 磁路计算3 6 4 3 设计结果3 8 4 4 本章小结3 9 第五章圆筒型永磁直线发电机有限元分析4 0 5 1 电磁场有限元分析原理4 0 5 2 圆筒型永磁直线发电机有限元分析4 1 5 2 1 分析模型的建立4 l 5 2 2 空载性能仿真4 2 5 2 3 电磁力仿真及其波动分析4 3 5 3h a l b a c h 永磁阵列应用于永磁直线发电机4 7 5 3 1h a l b a c h 永磁阵列的原理4 7 5 3 2h a l b a c h 永磁阵列对发电机性能的改善4 8 5 4 本章小结4 9 总结与展望5 0 致谢5 1 参考文献5 2 攻读硕士研究生期间学术成果5 5 i v 第一章绪论 1 1 海浪能开发的研究意义 第一章绪论 近来由于科学技术的发展和现代化进程的加快，人类对能源的需求与日俱增，造成一次能源的消 耗大幅上升，由此导致一些一次能源日渐减少，尤其是石油、天然气和煤等能源已日益枯竭。有关专 家预言【l 】，适合经济开采的石油、天然气和煤等资源在百年左右将耗尽。可见能源危机已突显，新能 源的研究、开发和利用势在必行。近2 0 多年来，人们开发了多种可再生能源，并朝着规模利用的方向 发展，如风能、地热能、太阳能、潮汐能等。还有一些能源，如海浪能、可燃冰能、生物质能等备受 人类关注并已开始大力开发利用。对作为主要可再生能源之一的海洋能的开发，目前已取得了很大发 展，在相关高技术的支持下，海洋能应用技术日趋成熟，为人类在新世纪充分利用海洋能展示了美好 的前景。海洋能通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为海洋潮汐能、海洋波浪能( 简称海 浪能) 、海流能( 潮流能) 、海水温差能和海水盐差能。海浪能是海洋能利用研究中近期研究最多、政 府投资项目最多和最重视的一种能源。目前，海浪能开发利用技术趋于成熟，已进入商业化发展阶段， 将向大规模利用和独立稳定发电方向发展。海浪发电是海浪能利用的主要方式。据测算，地球上海洋 波浪蕴藏的电能可达5 0 0 0 g w l 2 1 。 海浪能是海洋能源中蕴藏最为丰富的能源之一，也是近期海洋能利用开发中研究最多的海洋能源 之一，其开发利用技术已趋于成熟，并已进入商业化发展阶段。海浪能之所以如此倍受人类关注，是 因为它具有以下几个优点：( 1 ) 海浪能是海洋中分布最广的可再生能源，而且几乎时时都有，被称为“全 天候能源”大海里很难找到没有海浪的地方；( 2 ) 由于海浪运动周而复始，永不休止，所以海浪 能是一种取之不尽用之不竭的可再生能源；( 3 ) 海浪能的能流密度很大，在太平洋、大西洋东海岸纬 度4 0 。 6 0 。区域，能流密度可达到3 0 7 0 k w m ，某些地方达到1 0 0 k w m ( 4 ) 海浪能属于一种洁净 无污染能源，能有效缓解目前的环境污染问题；( 5 ) 海浪的变化有规律可循，按年、季、分、秒都呈 周期性变化；( 6 ) 海浪能都集中在海面附近，海面是高度集中的能量源【3 】。这意味着，海浪能可通过 较小的装置实现其利用，提供可观的廉价能量，并为边远海域的国防、海洋开发等活动提供能源。因 此，世界各海洋大国均十分重视海浪能的利用研究。中国海岸线漫长，每年平均浪高2 m 、波长l m 的 时间可达6 0 0 0 h 左右，据估计，海浪能量可达1 1 7 亿k w 以上m 引。 1 2 海浪发电的基本原理 海浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及 迎波面的宽度成正比，实际上波浪功率的大小还与风速、风向、连续吹风的时间、流速等诸多因素有 关。波浪能利用系统装置首先使用变换装置把波浪能转换成有实用价值的机械能，再把机械能转换为 电能，发出的电可直接用电缆输送到陆地上，并入电网中，也可经平滑处理后可靠地输送给用户1 5 j 。 因此，海浪发电需要经过两次能量转换。海浪能的一次转换是由海浪能转换为某种中间结构的机械能； 海浪能的二次转换是由中间结构的机械能转换为电能。根据海浪能的一次转换所使用的转换装置的不 1 东南大学硕上学位论文 同，又可以分为儿种不同的方式。 1 2 1 振荡水柱式 振荡水柱式海浪发电利用空气作为能量转换的介质。它的波能一次转换装置是一个气室，气室的 下端开口与海水相通，气室中充满空气，气室的上端开口处装有一个空气透平，空气透平的轴与进行 二次能量转换的发电机直接相连。当海中有海浪涌来，就会有大量海水进入气室，气室中的空气受到 挤压就会流向气室上端开口，形成气流。气流驱动空气透平旋转，这样海浪能就转换成了空气透平的 机械能。旋转中的空气透平带动发电机旋转，就将机械能进一步转换成了电能。 根据一次转换装置位置的不同，振荡水柱式海浪发电可分为两类：漂浮式和固定式【l 3 1 。 漂浮式即一次转换装置由重物系泊漂浮于海上，由于本身的运动，其难免会向后方产生波而影响 吸收效率，但是随着研究的深入，日本发明了后弯管式浮子，利用多自由度运动的作用，可以在一定 程度上提高吸波效率。漂浮式的主要优点在于建造方便，投放点机动，以及对潮位变化的适应性。由 于波浪的表面性，吸收波能的物体越接近水面越好，而漂浮式能在任何潮位下实现这一要求。然而从 工程观点出发，漂浮式的主要缺点是系泊与输电，这是难点之所在1 1 4 。 固定式，也叫岸式，一般建在岸边迎浪侧，如图1 1 所示【1 5 】。其优点是并网与输电比漂浮式更加 简单。但是岸式装置也有其弱点：岸式装置需要经受大风浪的考验，波浪拍岸时出现了高度非线性现 象，它的作用力难以用现有方法正确估计；由于波浪发电装置都建在位于海岛迎浪一侧，该侧一般为 悬崖峭壁，再加上台风侵袭，施工难度很大。 图1 - 1 固定式( 岸式) 海浪发电示意图 振荡水柱式波能转换系统结构简单，将空气作为能量载体，传递方便，能通过气室将低速运动的 波浪的能量转换成高速运动的气流，造价低，可靠性好。由于用空气做能量转换的中间介质，透平发 电机组不与海水接触，避免了海水腐蚀和机组密封等问题，提高了装置在海洋环境下的生存能力1 6 l 。 1 2 2 聚波储能式 聚波储能波浪发电方式是舍弃波浪的动能，而利用波浪在沿岸的爬升将波浪能转换成水的势能。 它利用狭道把广范围的波能聚集在很小的范围内，这样使得浪高增加，当浪高增加到一定高度而溢出 蓄水池，然后蓄水池内的水推动低端水头的水轮发电机发电。整个过程先将波浪能集中，然后保留其 位能部分，任其消耗其动能部分，并不依赖于第二介质。这种方法的优点在于波能的转换没有活动部 2 第一章绪论 可靠性高，维护费用低且出力稳定。据称其转换效率在6 5 7 5 之间，几乎不受波高和周期的 。不足之处是：建造这种电站对地形要求严格，不易推广，如图1 2 所示【1 7 】。 1 2 3 其他方式 图1 2 聚波储能式海浪发电示意图 随着人们对海浪能开发利用研究的不断深入，一些新型的能量转换装置相继出现。 1 9 9 5 年，美国新泽西州普林斯顿海洋动力技术公司研制出利用压电材料制成的水力压电发电机系 统。该系统由悬挂在海中的浮体、锚以及它们之间的缆绳中的压电聚合物组件构成。由于浮体随着海 浪做上下浮动拉动缆绳，所以缆绳中的压电聚合物时而被拉伸，时而被放松，压电聚合物的运动产生 了低频高压电，该电能通过固态电子元件转化为高压直流电由水下电缆输送到岸上。这种能量转换系 统的成本不高，发出的电的价格合理，利于推广使用；压电聚合物几乎不需要任何维修，具有很强的 耐海水腐蚀性，使用寿命较长，可达2 0 年之久，而且使用后的材料还可以回收利用。 还有一种双浮体棘轮式波能转换装型1 8 】。两个浮体用锚固定漂浮在海上，两浮体之间采用铰链 连接，沿着波浪的方向前后排列，当波浪先后通过两个浮体时，它们通过棘轮、齿条等机械装置，将 这种运动转换为向着同一方向的旋转运动，在通过变速齿轮箱连接至发电机的转轴，带动发电机发出 电力。 目前应用比较广泛且具有一定发电规模的波浪能转换装置主要就是振荡水柱式、蓄波储能式和摆 式三种，其他一些转换装置的研究尚未成熟因而未广泛应用。 1 3 数值波浪水槽的研究概述 数值波浪水槽的定义：数值波浪水槽是一种用计算机仿真模拟的程序，其目的是用来尽可能真实 地模拟实际试验波浪水槽的各种功能，并最终代替试验波浪水槽完成相应的科学研究及工程设计等任 务f 2 9 l 。 建立一个合理的、稳定的数值波浪水槽需要处理以下三个问题：一、在研究水的流动状态时，水 空气交界面是自由随着时间变化的，所以需要考虑如何跟踪这个自由表面，即选择怎样的自由表面追 踪技术；二、如何保证较高的数值计算的准确性、稳定性，即使用什么样的数值方法；三、如何产生 所需模拟的波以及防止反射波，即是采用哪种造波和消波技术。 3 东南火学硕士学位论文 1 自由表面追踪技术 在利用纳维斯托克斯方程计算水、气两相流体问题时，由于水和空气的密度相差很大，可以忽略 空气对水的影响，所以水、气两相流可以简化为有自由运动表面的单相流动问题。 自由运动表面的存在给数值计算带来很大困难，主要原因有：自由表面的控制方程是非线性的； 自由表面随着时间不断变化，位置不确定：自由表面有时会出现较大变形，造成奇异解的出现；自由 表面可能出现合并和翻转。 目前关于自由表面形状和位置的求解方法主要有：刚盖假定方法，该方法认为自由水面同定不变， 法向速度也为零；水位函数法，此方法利用自由表面的运动学边界条件沿水深积分连续方程，将得到 的水深平均的连续方程作为水位的控制方程，求解该方程便可得到自由表面的位置，该方法只适用于 自由表面变化不太剧烈且没有重叠的单值自由表面的流动问题；任意拉格朗日欧拉( a l e ) 方法，直 接在运动的计算域内求解控制方程，计算网格随流体一起运动，能真实而详细的模拟出流体域的非恒 定变化，但其主要缺陷在于不能模拟间断型的自由表面p 0 。”j 。 至今人们已使用过的自由表面追踪技术有：动网格法，标高法，线段法，标记粒子法和流体体积 函数法( v o f ) 等【3 2 】。其中，流体体积函数法( v o f ) 是应用最广泛的一种自由表面追踪方法。 v o f 方法的基本思想【3 3 】是：为了追踪自由表面的运动，在计算域内每一单元上定义一个函数f ， f 为一个单元内的流体所占面积与该单元面积之比，表示为f = r ( x ，y ，) ，当该单元被流体质点所充 满时，此单元的f = i ，为流体的内部单元；若f = 0 ，则该单元不含流体，为流体的外部单元；若f 的 值在0 与1 之间，则该单元为含有自由面的单元。由于v o f 方法计算的是每个网格内的流体体积函数 值，自由表面的位置和形状是通过计算域网格内的流体体积函数f 的值重构的，因此v o f 方法可以 较为容易地处理波浪翻转、合并和破碎问题。 v o f 方法最早出现在d e b a r ( 1 9 7 4 ) 1 3 4 1 的文章中，h i r t & n i c h o l s ( 1 9 8 1 ) 3 3 】形成了完整的理论体 系和实现方法，现在的v o f 方法都是在h i r t & n i c h o l s 的基础上发展起来的。v o f 方法已经扩展到三 维流场计算( t o r r e ye ta l ，1 9 8 7 ) 1 3 5 】。许多商业流体分析软件都是以此方法为核心编制而成的，如 s o l a v o f ，n a s a v o f 2 d ，n a s a v o f 3 d ，r i p p l e ，f l o w 3 d 。现在v o f 方法被广泛应用到许多 有关自由面流的流场分析中，本文就采用此方法追踪自由表面。 1 3 2 数值方法 目前所使用的数值计算方法主要有基于区域的有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，简写为 f d m ) 、有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简写为f e m ) 、有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，简 写为f v m ) 和基于边界的边界单元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，简写为b e m ) 。其中有限单元法和 有限体积法应用范围较广。 l 、有限差分法( f d m ) 。f d m 以t a y l o r 级数展开为工具，把控制方程中的微分用网格节点上的 函数值的差分来逼近进行离散，从而将原来的微分方程转化为代数方程组。按照差分方程组是否解耦 可分为显式格式和隐式格式；按照逼近精度的阶数可为一阶、二阶及高阶。f d m 是建立在数学逼近的 基础上的、直接将微分方程转化为代数方程的方法。该方法容易为人们所接受，但是不太适合处理高 4 精度的问题。 2 、有限单元法( f e m ) 。f e m 是以变分原理和加权余量法为基础的，其原理是划分单元对解进行 逼近，使得微分方程空间积分的加权余量极小化。其步骤是：将求解区域化为有限个小单元，对每个 单元进行线性插值，即用每个单元的形状函数和单元节点的函数值来展开单元内任意点的函数值，建 立线性插值函数，将这些函数带入加权余量方程形成代数方程组。将求解域划分的单元越多，结果越 接近真实解，但是单元划分过多会增加求解的难度。 3 、有限体积法( f 讧) 。f v m 又称为控制体积法。其基本思路是：将计算区域划分为一系列不 重复的网格，并使每个网格点周围有一个控制体积：将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得 出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定值 在网格点之间的变化规律。f v m 是积分型方程离散方法，所以对一个、多个控制体，甚至整个求解域 都能保证物理守恒，不存在守恒误型3 6 】。 4 、边界单元法( b e m ) 。b e m 以定义在边界上的边界积分方程为控制方程，通过对边界划分单 元插值离散，化为代数方程组求解。它与基于偏微分方程的区域解法相比，降低了问题的维数，从而 显著降低了自由度数，边界的离散也比区域的离散方便得多，可用较简单的单元准确地模拟边界形状， 最终得到阶数较低的线性代数方程组。由于它利用微分算子解析的基本解作为边界积分方程的核函数， 而具有解析与数值相结合的特点，因而通常具有较高的精度，尤其适用于边界变量变化梯度较大的问 题。 1 3 3 数值造波技术 数值造波技术是数值波浪模拟的关键技术，数值造波的效果直接影响到数值波浪模拟的成功与 否。目前，比较常用的数值造波方法有这三种：设置造波边界法，加源项造波法，仿物理造波法。 1 、设置造波边界法的原理是：先得到某种波的解析解或者数值解，然后根据该波的解析解或者 数值解给定造波边界上的值。例如，对于小振幅波，可使用线性理论的解析解，对于有限振幅规则波， 则可使用s t o k e s 波解、椭圆余弦波解等。若想模拟全非线性的规则波则需要使用较复杂的波解形式p 。 2 、加源项造波法是一种在控制方程中添加源项的造波方法，这种方法可以避免边界反射对计算 域波浪场的干扰。因此在控制方程中加源项的方法在基于势流理论模型中，特别是在沿水深积分 b o u s s i n e s q 方程中的应用较为广泛。 最初的源项造波方法为“线源”造波，即在计算区域的某一条线( - - 维模型) 或某一个点( 一维 模型) 上加源项造波。当所需造波的非线性较强时，容易在造波区域附近出现间断，而导致计算不稳 定。为此，w 色i & k i r b y ( 1 9 9 9 ) 对线源造波法进行了改进，提出了“区域源”的造波方法。这一方法 是在一段有限的区域内添加光滑变化的造波源项，避免了“线源”造波法可能引起的计算不稳定的现 象【2 9 】。 3 、仿物理造波法即用数值方法仿照物理造波机的原理造波，其特点是给固体边界强加振动作为 波浪水槽的扰动源来产生波浪。按照固体边界的形状和运动形式划分，可将仿物理造波分为推板式造 波和摇板式造波。 仿物理造波的原理简单，易于应用，其作用只须作为特殊运动学边界条件嵌入模式的代码中，无 需修改主体模式本身。而且物理造波机的理论相当成熟，其造波公式可以很容易的被移植到这种数值 5 东南大学硕士学位论文 造波技术中【3 7 】。 1 3 4 数值消波技术 因为数值波浪水槽模拟是在有限的区域内进行的，所以在边界处会产生波的反射。为了减小二次 反射波对仿真结果的影响，需要采用适当的消波技术以消除二次反射波。比较有名的消波技术有以下 几种：( 1 ) 辐射边界条件：( 2 ) 主动消波器；( 3 ) 海绵阻尼层。 s o m m e r f e l d ( 1 9 4 5 ) 3 8 1 根据在无穷远处只有能量向外传播而没有能量向内传播的规律，提出了著 名的辐射边界条件： 憋万( 鲁+ c 鲁 = 。 m ， 其中，= x 2 + y 2 。对于波高较小的情况，可以直接使用下式： 譬+ c 譬：0 ( 1 - 2 ) a t铆 该技术的原理相当于在消波边界之外有一个虚拟的波浪场，其效果相当于入射波透过消波边界直接向 外传播。 主动消波器就是在波浪水槽中设置主动进行消波的装置。在数值波浪水槽中仿照实验水槽中的一 些主动消波装置，运用波动信号的反馈原理，通过水槽边界的运动将传来的波动抵消掉。m i l g r a m ( 1 9 7 0 ) 设想了一种反用造波板原理进行主动消波的线性理论，将消波器前的水位高度作为控制消波板运动的 反馈信号，并按此原理在实验水槽中安装了一个摇板式的消波器，得到了较好的效果。c l e m e n t ( 1 9 8 8 ) 在其数值水槽中使用了这种消波方法l ”1 。 海面阻尼层，也称为数字沙滩，其原理是在自由水面边界条件上加人工粘性项吸收波能，使波在 未达到边界就被吸收完。其中，给自由水面的动力边界条件加衰减项是较好的一种阻尼消波方法，其 表达式为： 弘+ 鲁一互1v 卵妒堋= o ( 1 - 3 ) 其中，阻尼参数满足下式 ： 。厕( 川) 2 ( 2 川) 呱 1 式中，p m 。为消波参数。勰的选择对消波的效果影响很大。如果m 越太大则波在阻尼区前沿就会 发生发射，如果太小则波在阻尼区不能完全吸收就到达边界从而发生反射，所以需要选取合适的消波 参数。 1 4 国内外海浪发电技术发展现状 世界上最早开发海浪发电设备的国家是法国。1 9 1 0 年法国人波拉岁奎在法国海边的悬崖处，设置 6 第一章绪论 了一座固定垂直管道式的海浪发电装置，并获得了i k w 的电力。这一成功大大地鼓舞着热心于海浪发 电的人们。自此之后，日本、英国、挪威、中国等国相继投入到海浪发电的研究大潮中，各种设想大 胆、原理正确、结构巧妙、形式各具风格的海浪发电装置不断涌现1 1 9 。2 5 1 。 1 4 1 日本 1 9 6 4 年，日本的益田善雄研制成功了一个微型海浪发电装置，成功用于航标灯，并投入商品化生 产，它是世界上第一个、也是迄今最成功的商业化波能产品。 1 9 7 4 年，日本海洋科技技术中心( j a m s t e c ) 牵头实施“海明号”船型海浪发电装置( 如图1 3 所示) 的研究计划，该计划有美国、英国、挪威、瑞典、加拿大等多国参加合作。该项研究在长8 0 m ， 宽1 2 m 的船型结构上进行，船上有1 3 个振荡水柱气室。1 9 7 8 年至1 9 7 9 年进行了第一期的试验，试 验装备由各国提供的8 台机组组成，总装机容量达到1 2 8 0 k w ；1 9 8 5 年至1 9 8 6 年进行了第二期试验。 通过两期试验，海底电缆输电技术以及发电船的锚泊技术难题得到较好的解决，并成功的向岸边输送 电力1 9 0 m w h 。但是“海明号”波能发电船还有很大的技术缺陷，而且发电效率很低，总效率不超过 6 5 。为了克服“海明号”的缺陷，日本海洋科学技术中心( j a m s t e c ) 于1 9 8 7 年耗资1 0 亿日元， 组织了一项新的波浪发电装置的研究开发计划，并给该新装置取名为“巨鲸”。其面向出海方向，长 5 0 m ，宽3 0 m ，高1 3 m ，吃水深度8 m ，排水量4 3 8 0 吨，两旁由铁锁链和沉降物系泊。“巨鲸”分上下 两层，下层发电机房安装有3 台汽轮机和4 台感应式发电机，与之对应在它们下边有3 问空气室，海 浪的一起一伏在这里形成的气流推动汽轮机转动；上层设有电池室、辅助发电室、控制室、仪器室和 空气压缩机室等。该发电装置于1 9 9 8 年7 月投入运营，其发电容量为1 2 0 k w ，总发电效率可达1 2 1 2 6 。 图1 - 3 日本“海明号”海浪发电船 1 9 8 3 年，日本海洋科学中心联合三井造船和富士电力在日本西北海岸鹤冈市的三濑建造了一座 4 0 k w 的岸式振荡水柱试验电站，并进行了一个冬季的发电试验，总投资约8 千万日元。站址选择在 内凹形的岩岸上。在完成了水下地基之后，吊装钢结构气室框架，然后浇注混凝土。气室宽度为8 1 m ， 深度约为5 m ，4 0 k w 的卧式机组两端各装一直径1 3 m 的对称翼透平。当波高达4 m 时，电站输出功 率为4 0 k w ，平均输出功率为1 1 3 k w ，总效率约为l l 。同时，日本室兰工业大学在北海道室兰附近 的内浦建造了一座装机容量为5 k w 的推摆式波浪发电站。该电站是通过一个在水槽中前后摆动的摆板 吸取波浪能的。摆板的运行很适合波浪大推力和低频特性，它的阻尼式液压装置利用两台单向作用的 液压泵驱动发电机便可吸取全周期的波浪能。试验电站的摆宽为2 m ，最大摆角为+ 3 0 度。波高1 5 m 、 周期4 s 时的正常输出功率约为5 k w ，总效率约为4 0 ，是日本海浪发电站中波能转换效率最高的一 座。另外，在烧夙岛的西浦港已建造了一座同样的装置，用来向渔民公寓提供热水。 7 东南大学硕上学位论文 1 9 9 6 年9 月，在日本东北电力公司原町火电站南部防波堤上装设的1 3 0 k w 波力发电设备，是日 本当前装机容量最大的发电装置，属于固定防波堤型。它的能量转换箱体长2 0 m 、宽2 4 m 、高2 4 m ， 系统共有两个能量转换箱，带有8 个空气室和1 个空气透平发电机组，发出的电与6 k v 电力系统并 网。 1 4 2 英国 英国具有世界上最好的波浪能资源。从2 0 世纪7 0 年代开始，英国将波浪发电研究放在新能源开 发的重要位置。2 0 世纪8 0 年代，英国已成为世界波浪能研究的中心。 1 9 9 0 年，英国在苏格兰伊斯莱岛建成了一座7 5 k w 的振荡水柱式海浪发电站。该发电站研建的目 的是发展一种岸式波能装置的标准模式，将波能装置分解成一个个的单元，再组合起来，以此发展波 能装置产业化；另外为5 0 0 k w 振荡水柱式波能转换装置研究提供实海况研究条件。1 9 9 4 年在奥斯普 雷建成容量为2 0 m w 的岸基固定式波力发电站。 1 9 9 5 年8 月，世界上第一台商用海浪发电机在英国克莱德河口海湾装机运行。该发电机由英国 a r t 公司花费5 年时间，耗资3 0 0 万英镑开发而成，净重8 0 0 吨，气室的结构高度为2 0 m ，开口宽度 为1 5 m ，一次转换为离岸、固定的侧向开口空气式，二次转换为一对单向透平，设计发电容量为2 m w ， 其顶部装有风轮机，可额外发电1 5 m w ，通过海底电缆送回海岸。其预计寿命为2 5 年左右，发电成 本少到只有6 美分度，比美国许多电厂便宜得多，该公司的目标是使这一技术可与火力发电相竞争。 2 0 0 0 年1 1 月，英国在苏格兰伊斯莱岛附近建成世界上第一个海浪发电厂。厂址处波能功率密度 为2 5 k w k m ，采用岸式波能发电装置l i m p e t ( l a n d - i n s t a l l e d - m a r i n e - p o w e r e de n e r g yt r a n s f o r m e r ) ， 使用威尔斯透平，生产能力为5 0 0 k w ，能供4 0 0 户家庭照明使用。 英国科学家弗朗西斯法利和罗德雷尼发明了一种利用海水起伏产生的波浪来发电的独特装置 “海蛇”( p e l a m i s ) ( 如图l - 4 所示) ，已于2 0 0 4 年投入使用。发电机组外观类似大型浮筒，由若 干个直径为3 5 m 的圆柱形分段组成，由铰链组合在一起，长度有1 2 0m ，用锚在海底固定，它们半浮 在海面上，并和海浪总的走向一致：在浮筒的内部装有液体和发电机。该海浪发电机的设计发电能力 是7 5 0k w 。当海浪涌入接合处时，管道上下摆动，导致管道中的液体流动，流动的液体推动液压涡轮 机，从而带动发电机进行发电。在距葡萄牙北部海岸约4 8 k i n 的地方有一座海浪发电站，该电站使用 的就是3 台“海蛇”发电机组。 图l - 4 英国“海蛇”波浪发电装置 据2 0 0 8 年报道，英国安普敦大学科学家研究出一种新的波浪发电装置，取名“巨蟒”。该发电装 8 置长度为1 8 2 m ，直径为6 m ，由橡胶制成。“巨蟒”的工作原理是：将其安装在距离海岸1 - 3 k m 、深度 为3 0 9 0 m 的海中，锚系在海床上。“巨蟒”的橡胶管道内充满海水，两端封闭。每当有波浪经过时， 弹性极强的橡胶管就会随着波浪的上下起伏而摆动，橡胶管内部就会产生一股水流脉冲，随着波浪幅 度的加大，脉冲也会越来越强，并带动尾部的发电机产生电能，然后通过海底电缆传输出去。在奥克 尼的试验结果表明，“巨蟒”捕获海浪能量的能力约是“海蛇”的3 倍，平均可达到1 m w 的功率。由 于制作材料主要是橡胶，“巨蟒”比其它波浪发电装置重量更轻，构造更简单，不需要复杂的水压装置、 铰链和铰链关节，因此建造和维修成本更低。 1 4 3 挪威 挪威也是开发利用海浪能较早的国家。他们发明了多共振振荡水柱、减速槽道等新技术，现在已 被广泛应用到海浪发电的装置中。 1 9 8 5 年，挪威在b e r g e n 市附近的t o f t e s t a i l e n 岛建成了一座装机容量为5 0 0 k w 的波浪电站，是上 世纪世界上容量最大的海浪发电站。该电站使用的是带前港的多共振振荡水柱式岸基发电装置 ( m o w c ) ，站址选在面向北海的断崖上，发电装置的气室宽度和深度均为7 m ，前部为一约6 m 长的 引浪1 3 ，机组采用直径为2 m 的对称翼透平，变速恒频机构保证电机输出的电压和频率稳定。该装置 工作时，波浪通过气室前的引浪口冲进气室内，气室内的水柱与波浪的起伏冲击之间产生谐振，使装 置吸收的波能增多，即用较窄迎波口便可吸收较宽范围的波能，从而提高发电效率和降低成本。遗憾 的是，该电站在1 9 8 8 年1 2