海洋表层漂流浮标自发电系统研究

沈 璐 张晶莹 申芳芳

(吉林建筑大学基础科学部,长春 130118)

1-主控板;2-直线振动发电机;3-可充电电池图1 浮标系统剖面结构

近年来,在海洋中布放漂流浮标已成为人们研究海洋环境因素的一种重要手段.尤其是随着卫星定位及数据传输技术的不断发展,越来越多基于卫星技术的漂流浮标设备被用于海洋环境监测.然而,卫星数据传输设备功耗相对较高,仅仅依靠容量有限的电池进行供电,浮标的使用寿命将受到极大的限制[1-2].

众所周知,海洋中的波浪能具有能量密度高、分布面广、不稳定等特点,是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源[3-5].波浪能主要表现为海洋表面波浪的动能和势能,考虑到漂流浮标随波逐流的特性,在浮标内部安装特定结构的直线振动发电机,利用海洋中普遍存在的波浪能进行发电,实现浮标供电系统的电能自补给.

1 浮标系统结构

漂流浮标(见图1)是一种漂浮在海洋表面用于观测表层海流、表层水温及盐度等环境因素的海洋监测设备,在结构上具有极好的气密性,充分保证其内部电源、控制电路等关键部件与海水隔离.经过特殊加工的新型直线振动发电机固定于浮标内部,随着浮标的随波逐流而不断产生电能,进而通过电能后处理电路将其存储在可充电电池中.

2 发电系统分析

直线振动发电机具有体积小、结构简单等优点,且利用无处不在的机械振动发电,因此人们逐渐开始将其用于各种发电系统.对于布放在海洋中的浮标而言,由于波浪的起伏性,浮标也会随之产生波动.如果将直线振动发电机安装于浮标内部,利用发电机振子的振动,将波浪能转化为电能加以利用,将会解决漂流浮标因供电电源容量有限而导致的浮标使用寿命受限的问题.

1-圆形永磁体;2-环形永磁体振子;3-特氟龙轴;4-绕组线圈;5-软铁芯图2 磁推式直线振动发电机

2.1 发电机结构

图2所示为用于漂流浮标发电系统的磁推式直线振动发电机的基本结构.该发电机属新型永磁体内置式直线振动发电机,采用直立的直线往复运动的永磁体振子作为电机的励磁,可直接与波浪的起伏运动特点相吻合,不仅简化了波浪能的转化过程,更重要的是其功率密度与功率因数较高.

如图中的柱状环形永磁体作为发电机的振子套于光滑的特氟龙轴上,其两端分别固定有圆片形永磁体,利用磁极间同性相斥所产生的磁推力将环形永磁体振子悬浮.振子置于缠有绕组线圈的圆筒内,且两者之间保持尽可能小的间隙.同时,绕组线圈外紧贴着软铁心圆筒,以增强发电机的磁导率,进而提高发电机的性能.

2.2 发电机运行原理

如图2所示,环形永磁体振子因其两端永磁体的推力作用而悬浮,同时套在光滑性极好的特氟龙圆柱上,该振子在振动过程中所受摩擦阻力极小.当浮标随波逐流而产生波动时,该发电机中也会随之波动,悬浮于空气中的环形永磁体振子因所受摩擦阻力较小且两端受磁推力作用而极易产生往复运动,并与其周围绕组线圈之间产生相对位移,从而引起绕组线圈磁链的改变,使绕组线圈中产生交变的感应电动势,给外部设备提供电能.

在空载情况下,当永磁体振子从最高点向下运动过程中,绕组线圈中的磁链逐渐变大,绕组中产生负的感应电动势;当永磁体振子中心与绕组线圈中间位置重合时,绕组线圈中的磁链达到最大,感应电动势为零;当永磁体振子由绕组中间位置继续向下运动过程中,绕组线圈中的磁链逐渐减小,绕组中产生正的感应电动势.同理,当永磁体振子从最低点向上运动过程中,绕组线圈中的磁链会经历一个先增大后减小的过程,相应的产生由负到正的感应电动势.

2.3 感应电动势理论分析

而φi=BiS,Bi为绕组第i段的磁感应强度,S为铁心的径向截面积.根据感应电动势的定义有

显然,除了发电机本身的设计参数外,永磁体振子的振动速度也直接影响着感应电动势的大小.对于应用在浮标中的直线振动发电机而言,影响振子速度的关键因素是海面波浪的幅度和频率,而波浪的随机性决定了对发电机感应电动势的分析只能是定性的,不能进行定量分析.因此,我们通过上述过程定性分析了浮标中发电机感应电动势的产生过程.需要注意的是,空载情况下绕组线圈中没有感应电流,也就不用考虑自感磁链对永磁体振子的影响,发电机的输出电压(即感应电动势)较高.而实际应用过程中,由于绕组线圈中感应电流产生的自感磁链，以及不同负载的影响,发电机实际输出电压将会降低.

3 电能后处理单元

图3 电能后处理电路结构

微型直线振动发电机的输出电压通常较低且极不规律,尤其是在利用海洋中的波浪能发电的情况下更是如此,对于常用浮标所采用的9-15V供电电源而言,如果发电机输出的电能经整流滤波后直接用于充电,效率将会极低.采用转换效率较高的升压型开关电源芯片,不仅可以提供较宽的输入电压范围,而且能最大限度的保证输出电压(即电池充电电压)的稳定,在提高电池充电效率的同时,降低因充电电压不稳给电池的使用寿命带来的影响.该系统典型的电能后处理单元结构如图3所示.

4 结语

本文提出了一种新型磁推式直线振动发电机的设计方案,结合海洋漂流浮标的开发经验,将其应用于浮标发电系统.并根据此方案设计了相应的样机,在频率为2Hz,振幅为30mm的条件下测试,其空载输出电压能达到10V左右,验证了该方案的可行性.同时,通过对充电电路结构的改进,使基于该方案设计的发电系统输出的变频变幅的不稳定电能所带来的低充电效率问题得以解决.如果对发电机参数进行优化性设计,使发电机性能进一步提高,这对于海洋浮标的开发应用将具有重要的意义.

参 考 文 献

[1] W.N.L.Mahadi,S.R.Adi and Wijono.Application of ND2FE14B magnet in the linear genertor design[J].International Journal of Engineering and Technology,2007,4(2):175-184.

[2] Ho-Yong Choia,Hyun-Kyo Jung,Sang-Yong Jung.Performance evaluation of Halbach magnetized linear generator for mobile apparatus[J].International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics,2004(20):141-147.

[3] 郭 亮,卢琴芬,叶云岳.新型永磁体外置式直线振动发电机性能研究[J].浙江大学学报(工学版),2007,41(9):1604-1608.

[4] 范航宇,邱阿瑞,陶 果.一种漂浮式海浪发电装置的电能后处理[J].电气应用,2005,24(9):1604-1608.

[5] 孙旭东,王善铭.电机学[M].北京:清华大学出版社,2006:9-10.