一种用于波浪能转换的高温超导线性发电机的概念设计


介绍
海浪能是可再生能源，能量密度高，比受天气和气候影响的太阳能和风能更具可预测性。


随着能源需求的不断增长，利用海浪发电已成为一个重要的研究领域。因此，人们提出了不同的波能转换器(WEC)技术。


利用WEC利用海浪上下运动中的动能，将其转化为电能。因此，人们提出了许多线性发电机来利用海浪能发电。这方面的例子，除其他外，是Refs进行的工作。


海水的密度是空气的840倍，这决定了海浪携带的力量的强度，进行布伦特振荡的海浪的一个重要特征是由于高密度引起的长周期振荡，海浪的振荡缓慢驱动着WEC的发电机制。


这种缓慢变化的磁场在导体中具有较低的电动势(EMF)，因为一般WEC是通过电磁感应获得功率的。


在不增加发电装置重量和尺寸的前提下，要大幅度提高发电功率，因为要使WEC传播，必须有高输出。


海浪振幅越大，海上风流越快，但在恶劣天气下安装和运行发电厂在维护方面存在问题。


因此，在大波高水域，WEC难以应用。另一方面，小浪高的近岸波浪发电系统获得的冲程较短，加上周期较长，输出功率较小。


概念设计结构
针对海洋能发电的实际应用，我们研究了一种WEC设计，该设计可以放大短冲程长度，提高长时间海浪下的输出功率，而不需要缓冲机构来保护结构，但增加了重量，降低了发电效率。


图1显示了单个WEC的简单示意图，以及所提出的HTS双线性发电机结构的横向视图。我们使用浮筒作为动力起飞系统的主要部分。


浮标从海浪的水平和垂直运动中获取能量，波浪的垂直运动很慢，但正如我们之前提到的，它对浮标施加了过大的负荷。


海浪的缓慢运动和大载荷/力使得波浪能发电装置难以获得实际应用的输出功率和结构损伤。


为了避免输出功率降低和结构损坏，我们提出了在时间和单位体积上增加功率密度的想法，即增强通过电枢线圈的磁场强度和变化率。


从这个意义上说，所提出的发电机具有直接驱动线性发电机(线性型发电结构)的概念结构，其中非固定电枢铜线圈和场极磁体以相反的方向来来去去，以实现增强的输出功率和电磁力。


分析方法
我们的线性发电机使用磁场界面建模，其中二次离散化用于求解磁矢量势。


在所有外边界两侧设置了以磁矢量势为法向n×A=0的狄利克雷边界条件或磁绝缘边界条件。


此外，我们通过使用连续性边界条件施加跨对边界的连续性，COMSOL Multiphysics®软件自动生成网格，以按元素划分线性生成器模型的2维横截面。


逐渐选择更细的孔径，最大孔径为43.7 mm，最小孔径为0.148 mm。双平移直线发生器的剩余区域网格类型为结构化四边形网格，非结构化三角形网格类型。


网格模型的有限元分析结果如图2所示。该模型采用平稳和时间相关的方法求解，其中我们使用多额大规模并行稀疏直接求解器(MUMPS)，采用直接非线性牛顿法。


考虑到线性发电机的效率和发电机内部部件的总横截面积，我们采用迭代法确定了双平移线性发电机的主要参数，如场元极距和场极数。

这样做是为了实现轻型线性发电机组。


结果与讨论
在模拟过程中，电枢铜线圈相对于其高温超导体以0.3米/秒的速度垂直移动，保持2毫米的机械气隙。


我们开发了一种WEC，可以产生更好的输出功率，尽管海浪振幅和WEC之间的几何关系对翻译器的行程施加了限制，如“概念设计结构”部分所示。


我们试图根据发电机内部部件的总表面积和发电机效率来确定磁场极距。
这与我们的高效率线性发电机重量最小相对应。


图5显示了针对73 mm螺距优化的线性发电机的行程长度分析结果。随着磁场极数的减少，电枢线圈与磁场极的尺寸比减小，导致有效电枢线圈直径比减小，从而产生感应电动势。


结论
在本研究中，在功率输出和电磁力提高之前，我们提出了一种独特的直接驱动WEC线性发电机的设计理念，适用于波浪周期长、海浪幅值小限制冲程长度的近岸海水发电应用。


我们试图通过有限元分析来优化这个概念。采用高温超导体磁极的双转换器发电系统的概念，通过电枢绕组增强磁场的强度和变化率。双翻译器产生的电磁力和输出功率优于单翻译器。


随着行程长度的减小，双翻译器产生的电磁力和输出功率与单翻译器的差值越来越大。
im电竞

双翻译器发电系统与高温超导体的结合为我们提供了在低海浪速度下获得高输出功率的潜力，这对实现海洋发电系统的实际应用具有重要意义。