丁文俊,宋保維,毛昭勇,王科燕

(1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,710072,西安;2.西北工業(yè)大學(xué)水下航行器研究所,710072,西安)

?

海洋動(dòng)能發(fā)電裝置在水下探測(cè)航行器的安裝位置對(duì)發(fā)電性能的影響

丁文俊1,2,宋保維1,2,毛昭勇1,2,王科燕1

(1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,710072,西安;2.西北工業(yè)大學(xué)水下航行器研究所,710072,西安)

為了研究海洋動(dòng)能發(fā)電裝置在水下探測(cè)航行器中的安裝位置對(duì)其發(fā)電性能的影響,根據(jù)拉格朗日方程建立了水下探測(cè)航行器與晃動(dòng)擺的耦合非線性運(yùn)動(dòng)方程,在不同的阻尼系數(shù)和橫搖激勵(lì)頻率下,采用龍格庫(kù)塔方法分別對(duì)海洋動(dòng)能發(fā)電裝置安裝位置對(duì)發(fā)電性能的影響進(jìn)行了數(shù)值分析。研究結(jié)果表明:海洋動(dòng)能發(fā)電裝置的安裝距離(晃動(dòng)擺的擺動(dòng)中心到航行器質(zhì)心的距離)為零時(shí),在橫搖固有頻率激勵(lì)下,系統(tǒng)收集能量為零;安裝距離不為零時(shí),能量收集系統(tǒng)在固有頻率附近呈現(xiàn)振動(dòng)系統(tǒng)所有的特性;收集的功率與安裝距離為二次方關(guān)系,且在不同頻率時(shí),在安裝距離為零附近都有一零功率點(diǎn),說(shuō)明發(fā)電裝置安裝距離應(yīng)盡量避免為零,且這一安裝位置與阻尼系數(shù)無(wú)關(guān),而與頻率有關(guān)。研究結(jié)果將為后期海洋動(dòng)能發(fā)電裝置的安裝布放提供借鑒。

海洋動(dòng)能;水下探測(cè)航行器;能量收集;永磁發(fā)電機(jī);擺式能量收集裝置

水下探測(cè)航行器是一種能夠自主航行至預(yù)定地點(diǎn),然后錨系于海底,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)等任務(wù)的無(wú)人任務(wù)控制器。水下探測(cè)航行器上的探測(cè)傳感電子設(shè)備的常規(guī)能源供給為電池,然而水下探測(cè)航行器受體積和質(zhì)量的限制,所攜帶的電池能源有限,因此水下探測(cè)航行器的探測(cè)任務(wù)時(shí)間一般不長(zhǎng)。

為了延長(zhǎng)水下探測(cè)航行器的服務(wù)年限,需對(duì)水下探測(cè)航行器進(jìn)行能源補(bǔ)給。海洋中蘊(yùn)藏有儲(chǔ)量巨大的可再生能源[1],而水下探測(cè)航行器錨系于海底時(shí)常受到海流、潮汐等影響,時(shí)刻處于晃動(dòng)狀態(tài)。這種由于海洋環(huán)境引起的晃動(dòng)能量簡(jiǎn)稱為海洋動(dòng)能。為了開(kāi)發(fā)海洋動(dòng)能,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者已對(duì)海洋動(dòng)能發(fā)電技術(shù)展開(kāi)了相關(guān)研究。Mccabe等研究了該團(tuán)隊(duì)于20世紀(jì)90年代發(fā)明的內(nèi)滑塊式晃動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)Frog與PS Frog[2];Clement等設(shè)計(jì)了SEAREV海洋晃動(dòng)發(fā)電裝置,采用液壓輸出系統(tǒng),其功率可達(dá)500～1 000 W[3-4];Bracco等利用陀螺效應(yīng)發(fā)明了慣性波能發(fā)電裝置ISWEC[5-6];Mitcheson等研究了應(yīng)用于水面無(wú)人航行器的擺式慣性波能收集裝置[7]。在國(guó)內(nèi),張穎等研究了AUV用慣性擺式波能系統(tǒng)[8],但只進(jìn)行了理論研究;王曉明等針對(duì)海洋機(jī)器人能源補(bǔ)給發(fā)明制作了二自由度波能轉(zhuǎn)換裝置[9];鄧啟平等研究了水平擺式波能發(fā)電裝置[10];丁文俊等研究了應(yīng)用于水下探測(cè)航行器的海洋動(dòng)能發(fā)電裝置[11]。

然而,大部分研究集中在對(duì)海洋動(dòng)能發(fā)電裝置本身的發(fā)電性能優(yōu)化及提高上,而對(duì)于安裝位置對(duì)海洋動(dòng)能發(fā)電裝置發(fā)電性能的影響少有研究。為了探究海洋動(dòng)能發(fā)電裝置在水下探測(cè)航行器中的安裝位置對(duì)發(fā)電性能的影響,本文開(kāi)展了相關(guān)研究。

1 海洋動(dòng)能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的水下探測(cè)航行器海洋動(dòng)能發(fā)電裝置主要由晃動(dòng)擺和永磁發(fā)電機(jī)組成,如圖1所示。該裝置只包括能量收集和能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié),去掉了一般發(fā)電裝置的中間能量傳遞環(huán)節(jié)[12]。本文設(shè)計(jì)的海洋動(dòng)能發(fā)電裝置中,晃動(dòng)擺直接與稀土永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連,并將稀土永磁發(fā)電機(jī)直接與水下探測(cè)航行器固連。當(dāng)水下探測(cè)航行器受到外界擾動(dòng)時(shí),晃動(dòng)擺在外界擾動(dòng)激勵(lì)下,直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)[13-14]。

海洋動(dòng)能發(fā)電裝置的主要參數(shù)如表1所示,主要通過(guò)晃動(dòng)擺的慣性作用收集海洋動(dòng)能。水下探測(cè)航行器在海洋動(dòng)能的擾動(dòng)下產(chǎn)生晃動(dòng),晃動(dòng)擺由于慣性作用產(chǎn)生與水下探測(cè)航行器的相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),切割永磁發(fā)電機(jī)的線圈繞組,使之產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[13]。

圖1 海洋動(dòng)能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖[13]

發(fā)電機(jī)參數(shù)數(shù)值每相串聯(lián)匝數(shù)N1558線圈繞組分布系數(shù)kdp0.9646極對(duì)數(shù)p10槽數(shù)123相數(shù)3晃動(dòng)擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1/kg·m20.334發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2/kg·m20.081晃動(dòng)擺擺長(zhǎng)l/mm117.3晃動(dòng)擺質(zhì)量mp/kg15.12

2 海洋動(dòng)能發(fā)電裝置的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)入射擾動(dòng)為二維擾動(dòng),根據(jù)海洋動(dòng)能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的受力情況進(jìn)行二維簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型如圖2所示,數(shù)學(xué)模型坐標(biāo)系如圖3所示,系統(tǒng)中晃動(dòng)擺被簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn),同時(shí)水下探測(cè)航行器在海洋環(huán)境擾動(dòng)下的誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)被當(dāng)作系統(tǒng)的參數(shù)激勵(lì)。根據(jù)拉格朗日方程,推導(dǎo)得到晃動(dòng)擺的動(dòng)力學(xué)非線性控制方程[12-14]為

(1)

線性系統(tǒng)固有圓頻率為

ωn=(mpgl/(Ip+mpl2))1/2

(2)

則線性系統(tǒng)固有頻率為

fn=ωn/2π=(mpgl/(Ip+mpl2))1/2/2π=

0.84Hz

式中:x、z、θ分別為水下探測(cè)航行器的橫向位移、垂向位移及角位移;γ為晃動(dòng)擺與水下探測(cè)航行器的相對(duì)角位移,海洋動(dòng)能發(fā)電裝置的發(fā)電性能主要取決于γ[12-14];Ip為晃動(dòng)擺和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Ip=J1+J2;mp為晃動(dòng)擺的質(zhì)量;d為晃動(dòng)擺的擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)到水下探測(cè)航行器質(zhì)心的距離。為了分析d對(duì)發(fā)電性能的影響,本文忽略機(jī)械阻尼及發(fā)電機(jī)內(nèi)阻對(duì)能量收集的影響,并假設(shè)電磁阻矩為一線性黏性阻尼器[12-14]。

一個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)的發(fā)電系統(tǒng)的平均發(fā)電功率可表示為

(3)

圖2 海洋動(dòng)能發(fā)電裝置示意簡(jiǎn)圖

圖3 數(shù)學(xué)模型坐標(biāo)系

3 安裝位置對(duì)發(fā)電性能影響分析

從式(1)分析可知,安裝距離d只有在橫搖激勵(lì)下會(huì)對(duì)發(fā)電性能產(chǎn)生影響,因此本文重點(diǎn)分析在橫搖激勵(lì)下的發(fā)電性能,同時(shí)忽略橫蕩及垂蕩對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的影響,并假設(shè)橫搖的激勵(lì)方程為

θ=Θsin(2πft)

(4)

式中:Θ為橫搖激勵(lì)幅度;f為橫搖激勵(lì)頻率。

為了探索安裝位置對(duì)發(fā)電性能直接影響的機(jī)理,假設(shè)橫搖激勵(lì)為小幅擺動(dòng)時(shí),線性簡(jiǎn)化系統(tǒng)在一個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)發(fā)電系統(tǒng)的平均發(fā)電功率可表示為

(f/fn)2)2+(2ζf/fn)2

(5)

ζ=C/2(Ip+mpl2)ωn

(6)

由式(5)可知,安裝距離d對(duì)發(fā)電功率P有直接影響,即安裝位置對(duì)系統(tǒng)的發(fā)電性能有直接影響,而在不同的阻尼系數(shù)C和橫搖激勵(lì)頻率f下,所呈現(xiàn)的影響又有所不同。

因此,為了進(jìn)一步研究安裝位置對(duì)系統(tǒng)發(fā)電性能的影響規(guī)律,本文通過(guò)MATLAB中的四階龍格庫(kù)塔方法數(shù)值求解非線性式(1)、(3),分別分析不同的阻尼系數(shù)C和橫搖激勵(lì)頻率f下,安裝位置對(duì)發(fā)電性能的影響。

3.1 數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證建立的數(shù)學(xué)模型及數(shù)值求解結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文采用多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)本文研究的海洋動(dòng)能發(fā)電裝置模型在一定的參數(shù)下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,并將結(jié)果與MATLAB中的四階龍格庫(kù)塔方法數(shù)值求解結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖4所示。

圖4 LMS與MATLAB的結(jié)果對(duì)比

假設(shè)海洋動(dòng)能發(fā)電裝置在水下探測(cè)航行器中的安裝距離d為0.2 m,激勵(lì)頻率f為1.1 Hz,激勵(lì)幅度Θ為6°,阻尼系數(shù)為2 N·m·s/rad。

從圖4中分析可知,在相同模型參數(shù)及相同的激勵(lì)參數(shù)下,MATLAB中的四階龍格庫(kù)塔方法數(shù)值求解與多體動(dòng)力學(xué)軟件LMS Virtual.Lab Motion求解得到的晃動(dòng)擺擺動(dòng)響應(yīng)結(jié)果相同,從而可知建立的數(shù)學(xué)模型正確。

3.2 不同阻尼系數(shù)下的影響

為了研究在不同阻尼系數(shù)下不同安裝位置對(duì)發(fā)電性能的影響,本文進(jìn)行了在激勵(lì)幅度Θ為6°時(shí)的相關(guān)數(shù)值模擬,數(shù)值仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5中分析可知,在不同的安裝位置時(shí),不同阻尼系數(shù)對(duì)發(fā)電性能的影響大致趨勢(shì)相同,但是一些細(xì)節(jié)地方對(duì)發(fā)電性能的影響卻大不相同。

(a)d=0 m

(b)d=0.5 m

(c)d=1 m

(d)d=-0.5 m

(e)d=-1 m圖5 不同安裝位置在不同阻尼系數(shù)下對(duì)發(fā)電性能的影響

在安裝距離d>0(即安裝位置位于水下探測(cè)航行器質(zhì)心的上方)時(shí),從圖5中分析可知,在阻尼系數(shù)0～2 N·m·s/rad的范圍內(nèi),低頻0.8～1 Hz下收集的能量高于高頻1.1～1.3 Hz下收集的能量。

當(dāng)安裝距離d<0(即安裝位置位于建立的水下探測(cè)航行器質(zhì)心的下方)時(shí),從圖5中分析可知,基本上是頻率越高,收集的能量越多。同時(shí),在水下探測(cè)航行器質(zhì)心上下對(duì)稱的安裝位置,安裝位置d<0時(shí),收集的能量比安裝距離d>0時(shí)高。

3.3 不同頻率下的影響

為了研究不同頻率、不同安裝位置對(duì)發(fā)電性能的影響,本文進(jìn)行了在激勵(lì)幅度Θ為6°時(shí)的相關(guān)數(shù)值模擬,數(shù)值仿真結(jié)果如圖6所示。

(a)d=0 m

(b)d=0.5 m

(c)d=1 m

(d)d=-0.5 m

(e)d=-1 m圖6 不同安裝位置在不同頻率下對(duì)發(fā)電性能的影響

從圖6中分析可知,在安裝距離d為0時(shí),在固有頻率激勵(lì)處,收集的能量為0。因此,當(dāng)安裝距離d為0時(shí),為了提高能量收集,應(yīng)當(dāng)避開(kāi)發(fā)電裝置固有頻率點(diǎn)。

在安裝距離d不為0時(shí),當(dāng)激勵(lì)頻率(0～0.6 Hz)小于固有頻率時(shí),收集的能量很小,基本為0;當(dāng)激勵(lì)頻率(0.7～1 Hz)靠近固有頻率時(shí),收集的能量有較大的增加,同時(shí)在固有頻率附近呈現(xiàn)振動(dòng)系統(tǒng)所有的特性;而當(dāng)激勵(lì)頻率大于固有頻率1.2 Hz后,收集的能量隨激勵(lì)頻率增大而增加。根據(jù)振動(dòng)發(fā)電相關(guān)文獻(xiàn)記載,一般振動(dòng)能量收集系統(tǒng)運(yùn)行在激勵(lì)頻率等于固有頻率下,系統(tǒng)達(dá)到共振狀態(tài),收集能量達(dá)到最大值。本文研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)海洋動(dòng)能發(fā)電裝置的安裝位置與建立的坐標(biāo)系原點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí),激勵(lì)頻率高于固有頻率時(shí),同樣能收集較多的能量。

3.4 功率與安裝位置的關(guān)系

為了研究能量收集功率與安裝位置的關(guān)系,本文進(jìn)行了在激勵(lì)幅度Θ為6°時(shí)的相關(guān)數(shù)值模擬,數(shù)值仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7中分析可知:在不同頻率時(shí),都有一功率為0的安裝位置,該安裝位置的安裝距離d>0;這一安裝距離與阻尼系數(shù)無(wú)關(guān),而與頻率有關(guān),頻率越大,對(duì)應(yīng)的零功率安裝距離d越大。

(a)f=0.7 Hz

(b)f=0.9 Hz

(c)f=1.1 Hz

(d)f=1.3 Hz圖7 不同頻率下功率與安裝位置的關(guān)系

功率與安裝位置的關(guān)系曲線在不同頻率、不同阻尼系數(shù)時(shí),都是拋物線狀,說(shuō)明收集的能量與安裝距離d呈二次方關(guān)系,且拋物線定點(diǎn)即零功率安裝距離d在0附近,說(shuō)明發(fā)電裝置安裝位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離橫搖的旋轉(zhuǎn)中心。

4 結(jié) 論

本文主要研究了海洋動(dòng)能發(fā)電裝置安裝位置對(duì)發(fā)電性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)安裝位置對(duì)海洋動(dòng)能發(fā)電裝置的發(fā)電性能有較大的影響,研究結(jié)果如下。

(1)在不同阻尼系數(shù)下,不同的安裝位置對(duì)發(fā)電性能的影響大致趨勢(shì)相同;當(dāng)安裝距離d>0時(shí),在阻尼系數(shù)0～2 N·m·s/rad的范圍內(nèi),低頻0.8～1 Hz下收集的能量高于高頻1.1～1.3 Hz下收集的能量;當(dāng)安裝距離d<0時(shí),基本上是頻率越高,收集的能量越多。

(2)在不同頻率下,當(dāng)安裝距離d為0時(shí),為了提高能量收集,應(yīng)當(dāng)避開(kāi)發(fā)電裝置固有頻率點(diǎn);當(dāng)安裝位置d不為0時(shí),海洋動(dòng)能發(fā)電裝置在固有頻率附近表現(xiàn)出振動(dòng)系統(tǒng)所有的特性;當(dāng)激勵(lì)頻率大于固有頻率后,收集的能量隨激勵(lì)頻率增大而增加。

(3)收集的功率與安裝距離d為二次方關(guān)系,在不同頻率時(shí),都有一功率為0的安裝距離d,該安裝位置在0附近且大于0,說(shuō)明發(fā)電裝置安裝位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離橫搖的旋轉(zhuǎn)中心,且這一安裝距離d與阻尼系數(shù)無(wú)關(guān),而與頻率有關(guān),頻率越大,該0功率安裝距離d越大。

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(編輯 趙煒 杜秀杰)

Influence of Installation Position of Ocean Kinetic Energy Converter on the Power Generating Performance in Underwater Detection Vehicles

DING Wenjun1,2,SONG Baowei1,2,MAO Zhaoyong1,2,WANG Keyan1

(1. School of Marine Science and technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. Institute of Underwater Vehicle, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

At different damping coefficients and rolling motion excitation frequencies, the influence of the installation position of ocean kinetic energy converter on the power generating performance in underwater detection vehicles is studied using the Runge-Kuta method according to the nonlinear coupled equation of the hull and rocking pendulum established by Lagrange equation. The numerical simulation results show that when the installation distance (from the rotating center of the rocking pendulum to the barycenter of the vehicle) of the ocean kinetic energy converter is zero, under the excitation of rolling motion, the harvested energy is zero; when the installation distance is not zero, energy harvesting system shows the characteristics of a vibration system near the natural frequencies. It is also shown that the harvested power has a square relationship with the installation distance. And at each different frequency, there is a zero power point near the zero installation distance, which shows that the installation distance of the ocean kinetic energy converter should not be equal to zero. The zero-power installation distance is related to the excitation frequency and has nothing to do with the damping coefficient. The research results can provide a reference for the installation and deployment of ocean kinetic energy converters.

ocean kinetic energy; underwater detection vehicles; energy harvest; permanent magnet generator; pendulum energy harvester

2015-05-16。 作者簡(jiǎn)介:丁文俊(1989—),男,博士生;宋保維(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179159);國(guó)家“863計(jì)劃”資助項(xiàng)目(2011AA8094401);西北工業(yè)大學(xué)博士論文創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(CX201405)。

10.7652/xjtuxb201601017

TK71;TJ61

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